Начнём с того, что вспомним основы механики Ньютона и разберёмся в чём вообще проблема. Что вообще значит выражение «гравитация стремится к нулю и взаимно компенсируется»?
Речь идёт о знаменитом доказательстве Ньютона. Гравитационное поле сферической оболочки внутри этой оболочки равно нулю, а снаружи оно действует так, как если бы вся масса оболочки была сосредоточена в её центре.
Твёрдое тело с почти сферической симметрией можно мысленно представить как матрёшку или набор вложенных друг в друга сферических оболочек. По мере того как мы движемся от центра к поверхности, вклад внешних оболочек в гравитацию падает до нуля, и остаётся только гравитация от внутренних слоёв.
Для однородного тела поле убывает равномерно до нуля. Для более сложных распределений плотности, как у Земли, график будет другим: ядро плотнее мантии, поэтому гравитация в глубине даже немного растёт, прежде чем начать резко падать к нулю.
А что же в случае чёрной дыры?
Если радиус звезды или планеты уменьшается до нуля, то такого плавного падения поля не происходит. Гравитация становится бесконечной. Но почему радиус должен стремиться к нулю? Теоретически вещество могло бы оставаться «твёрдым» и при конечном радиусе. Более того, для образования чёрной дыры плотность вовсе не обязана быть запредельной. Если масса достаточно велика, чёрную дыру можно сделать хоть из материала с плотностью меньше, чем у воды. У сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87 средняя плотность примерно как у воздуха!
Квантовая механика, к слову, вообще не даёт радиусу сжаться до абсолютного нуля - на планковских масштабах должны вступать в игру иные физические законы. Но это не избавляет нас от странностей.
Дело в том, что в чёрной дыре происходит нечто куда более экстремальное, чем просто «много массы - сильное гравитационное поле».
Ньютонова гравитация, которую мы только что использовали, прекрасно работает для большинства случаев, но она неверна в фундаментальном смысле. Общая теория относительности (ОТО), которая куда точнее согласуется с наблюдениями, даёт иную картину.
Во-первых, в ОТО гравитацию создаёт не только масса. Её источник - более сложная комбинация, включающая и плотность энергии, и давление. Сжатие звезды или планеты повышает давление, а это, в свою очередь, усиливает гравитацию. Когда давление и плотность устремляются к бесконечности, то же самое происходит и с гравитационным эффектом.
Во-вторых, гравитация в ОТО нелинейна. В ньютоновской физике поля просто складываются: поле от массы 1 плюс поле от массы 2 и получаем результат. В ОТО сумма полей обычно больше, чем простое сложение. Иначе говоря, гравитация сама создаёт дополнительную гравитацию. Этот «положительный обратный отклик» может выйти из-под контроля: при достаточной концентрации гравитации процесс становится лавинообразным, и поле устремляется в бесконечность.
Именно это и происходит в чёрной дыре: масса схлопывается в точку не просто потому, что она тяжёлая, а потому что гравитация усиливает сама себя до такой степени, что ничто не может остановить сжатие.
Ни один материал не может быть достаточно прочным, чтобы выдержать бесконечную «гравитационную имплозию». Снаружи чёрная дыра выглядит как объект с массой, из которой она образовалась. Но её внутренний мир принципиально отделён от внешнего - за горизонтом событий законы перестают быть теми, что мы знаем.
Более того, чёрная дыра теоретически может существовать вообще без какой-либо материи внутри. Это «вакуумное решение» уравнений ОТО: объект, который держится исключительно на собственной гравитации. Масса и радиус важны только на стадии формирования — как спичка, поджигающая порох. Дальше всё поддерживает самоподдерживающийся гравитационный эффект.
Масса, запустившая коллапс, почти не играет роли в дальнейшем. Гравитация чёрной дыры порождается её собственной гравитацией. Это не просто «ещё больше того же самого», а явление принципиально иного порядка. Именно поэтому всё, что мы воображаем о внутренней структуре чёрной дыры, почти наверняка неверно. Согласитесь, это отличается от обычного формулирования вопроса в типичном научпоп.
Не забывайте ставить лайки 👍 и подписываться на канал ✔️, если материал понравился! Так вы увидите больше интересных статей, а моему каналу это поможет развиваться.