Если вы придерживаетесь общей теории относительности, то то, что происходит с этим вопросом, довольно просто. Когда вещество падает внутрь, оно испытывает возрастающие приливные силы. Вещество достигает сингулярности за конечное (короткое!) время и в сингулярности сжимается в точку с нулевым размером и бесконечной плотностью. Обратите внимание, что ничего особенного не происходит, когда материя пересекает горизонт событий.

Но мы ожидаем, что квантовая механика повлияет на происходящее. До недавнего времени (подробнее об этом ниже) ожидалось, что квантовая механика станет важной только по мере приближения материи к сингулярности и, в частности, когда материя будет сжата до размеров, приближающихся к планковской длине . Что именно происходит на таких малых масштабах длины, мы не знаем, потому что у нас нет теории квантовой гравитации.

Идея сжатия материи до бесконечной плотности может показаться абсурдной, но она имеет прочную теоретическую основу. В повседневной жизни материя удерживается в форме электростатическими силами, но при давлениях в черных дырах этих сил недостаточно, чтобы удерживать материю в форме, и она коллапсирует, образуя вырожденную материю .. Однако даже силы в вырожденной материи недостаточно сильны, чтобы выжить в черной дыре, и материя будет коллапсировать дальше. На данный момент мы не знаем никаких других сил, способных противостоять дальнейшему коллапсу, поэтому, когда коллапсирует выродившаяся материя, нет известной силы, которая могла бы остановить ее полное коллапс в точку бесконечной плотности. Однако то, что мы не знаем ни о каких таких силах, не обязательно означает, что они не существуют, и ожидается, что будущая теория квантовой гравитации представит новые эффекты, которые будут противостоять коллапсу.

Я сказал выше, что до недавнего времени ожидалось, что квантовая механика станет важной только по мере приближения материи к сингулярности. За последние несколько лет расчеты, связанные с теорией струн, показали, что черная дыра может быть еще более странным объектом, чем мы думали. Это известно как теория брандмауэра , и она предполагает, что пространство-время может заканчиваться на горизонте событий, поэтому черная дыра не имеет ничего внутри . Однако обратите внимание, что в настоящее время это спекулятивная идея и может не иметь под собой реальной основы.

Вот ответ неспециалиста, которому достаточно комфортно до конца и не дальше «Большой черной книги» (Мизнер Торн и Уиллер), и с обычным чтением, отличным от этого.

Хотя физики часто задают и обдумывают ваш вопрос, он превосходен, потому что он ведет прямо к краю наших знаний о физике посредством лишь довольно элементарных понятий: к таким идеям, как информационный парадокс черной дыры и к гротескному и болезненные описания ужасных странностей любого незадачливого космонавта, оказавшегося упавшим объектом: спагеттификация .

В последние годы некоторые ученые предположили, что все, что попадает в черную дыру, сгорает на горизонте событий или рядом с ним в результате явления, известного как брандмауэр черной дыры . Это ни в коем случае не является общепринятым или даже общепринятым: постулируется, что это помогает разрешить информационный парадокс черной дыры, о котором я говорю ниже. Но с этого момента я буду обсуждать то, что было довольно общепринятым объяснением того, что может произойти с чем-то, падающим в черную дыру, примерно до 2012 года. Это в основном классическое понимание общей теории относительности (которое я уже предупреждал вас). мой предел).

Глядя на вещи "Извне"

Ответ Роба — превосходное физическое и философское изложение истории объекта, упавшего в черную дыру (назовем его$\mathscr{D}$для «упавшего» или «обреченного») со стороны наблюдателя$\mathscr{O}$далеко (теоретически бесконечно далеко от дыры). От наблюдателя$\mathscr{O}$точки зрения, лучшее математическое описание падающего объекта$\mathscr{D}$через геометрию Шварцшильда , определяемую метрикой Шварцшильда (первая фундаментальная форма), которая является сферически-симметричным решением для метрического тензора в пространстве вокруг точечной массы уравнений поля Эйнштейна и которая была получена Карлом Шварцшильдом в 1916 году, когда он в него стреляли на полях сражений Первой мировой войны (какой парень!; кстати, я взял следующее из Википедии, чтобы сэкономить время на набор текста):

$$c^2 {d \tau}^{2} = \left(1 - \frac{r_s}{r} \right) c^2 dt^2 - \left(1-\frac{r_s}{r}\right)^{-1} dr^2 - r^2 \left(d\theta^2 + \sin^2\theta \, d\varphi^2\right)\tag{1}$$

где:

$\tau$является правильным (время, измеряемое часами, движущимися вдоль одной мировой линии с пробной частицей),

$c$это скорость света,

$t$- временная координата (измеряемая стационарными часами, находящимися бесконечно далеко от массивного тела),

$r$- радиальная координата (измеряется как длина окружности, деленная на$2\pi$, сферы с центром вокруг массивного тела),

$θ$- широта (угол с севера в радианах),

$φ$- долгота (также в радианах) и

$r_s$- радиус Шварцшильда массивного тела, масштабный коэффициент, связанный с его массой.$M$к$r_s=2 G M/c^2$, где$G$— гравитационная постоянная.

Так${\rm d}\tau$здесь обозначает короткий промежуток времени, измеряемый часами, которые носят с нашим Обреченным Наблюдателем.$D$и${\rm d} t$- соответствующий интервал времени, измеряемый часами. Обратите внимание на две вещи:

1. Осторожная формулировка,$r$это длина окружности сферы с центром на теле, деленная на$2 \pi$: из-за неевклидовой природы общих решений уравнений поля Эйнштейна ( т. е. геометрия не удовлетворяет постулату параллельности Евклида), эта величина НЕ совпадает с «радиусом» сферы;
2. Когда$\mathscr{D}$приближается к горизонту Шварцшильда (или горизонту событий)$r=r_s$, обратите внимание, как коэффициент$d t^2$исчезает. Это описание явления, на которое ссылается ответ Роба ; то есть из$\mathscr{O}$точка зрения, обреченный объект$\mathscr{D}$требуется бесконечное время, чтобы достичь горизонта. Роб делает очень правильное замечание: мы (как наблюдатели$\mathscr{O}$) никогда не сможет увидеть, как объект пересекает горизонт событий, поэтому нет возможности проверить какую-либо модель того, что происходит с чем-либо внутри. От нашего ($\mathscr{O}$С точки зрения автора, теории того, что происходит внутри, на самом деле не являются наукой, если мы принимаем Попперовский критерий фальсифицируемости того, что такое наука.

Взгляд на вещи с точки зрения обреченного объекта: пересечение горизонта

Однако есть один наблюдатель, для которого такая теория в принципе фальсифицируема, и это наш незадачливый друг$\mathscr{D}$. Итак (если нет брандмауэра Black Hole ), мы можем сделать несколько хороших предположений о том, что происходит (из$\mathscr{D}$точка зрения) сразу после$\mathscr{D}$пересекает горизонт, по крайней мере, на какое-то короткое время после этого. Особенно, если черная дыра очень и очень большая, вроде тех, которые, по мнению астрономов, находятся в центрах большинства галактик. Как насчет сингулярности в$r=r_s$в геометрии Шварцшильда, я слышал, вы спрашиваете? Ну, на самом деле, это «артефакт» координат: более физически, это артефакт принуждения себя к наблюдению снаружи черной дыры . Существуют системы координат, которые уносят духом эту сингулярность горизонта. Я перейду к примеру этих координат через мгновение, но главное, что они написаны для понимания вещей из$\mathscr{D}$точка зрения. Из$\mathscr{D}$точки зрения, что происходит, когда они пересекают горизонт?. Краткий ответ: (кроме брандмауэров) поначалу, вероятно, совсем немного, особенно если черная дыра очень большая. Если черная дыра достаточно велика, области, намного превышающие размер$\mathscr{D}$космический корабль примерно "плоский", т.е. точно так же, как пространство-время вокруг вас и меня. «Гравитация» в этой точке не особенно «сильна» (скоро я также уточню этот момент) и$\mathscr{D}$dreys его ужасные странности позже. И, как геометр, я отказываюсь верить, что, пока пространство-время может быть отображено в таких регионах таким образом, чтобы удовлетворять уравнениям поля Эйнштейна, разумно предположить, что они описывают$\mathscr{D}$физический опыт, по крайней мере, до$\mathscr{D}$подходит слишком близко к сингулярности. Многие физики согласятся со мной здесь, но я и большинство физиков также верим, что теория Эйнштейна несостоятельна.$\mathscr{D}$приближается к сингулярности: когда «гравитация становится намного сильнее» (опять же, я поясню это ниже). Но было бы немного странно, если бы поломка была "внезапной" в какой-то (от$\mathscr{D}$х) произвольный горизонт.

Итак, теперь о координатах. На самом деле можно преобразовать координаты в (1) (или, более строго говоря, переключиться на другую карту пространственно-временного многообразия), чтобы удалить сингулярность в точке$r=r_s$. Для этого существует несколько систем координат: одна из наиболее полезных — система координат Крускала-Секереса. Это максимально расширяет картирование геометрии Шварцшильда, т.е. оно отображает все пространство-время, кроме сингулярности. Вам нужно будет поискать их, так как мне немного надоело вырезать и вставлять уравнения других людей, но вот самая превосходная диаграмма Крускала-Секереса, которую я снова украл из Википедии (кто украл ее у Миснера Торна и Уилера) и размечено для наших целей:

Координаты Крускала-Секереша выполняют нелинейное преобразование радиальной$r$и наблюдатель$\mathscr{O}$время$t$координаты (давайте посмотрим, правильно ли мое преобразование планковских единиц в СИ):

дать две новые координаты$U$и$V$. Не беспокойтесь слишком о деталях; эти качественные свойства важны:

1. Каждая точка на диаграмме соответствует всей двумерной сферической поверхности, концентричной с сингулярностью в некоторый момент времени.$t$как измеряется$\mathscr{O}$;
2. Горизонт событий — две красные прямые линии$U=\pm V$;
3. Особенность — верхняя зеленая гипербола;
4. Контуры постоянной$\mathscr{O}$-время$t$— штриховые прямые, проходящие через начало координат;
5. Контуры постоянной радиальной координаты Шварцшильда$r$— штриховые гиперболы;
6. Все нулевые линии (Мировые линии или действительные истории световых лучей или, если хотите, фотонов) являются прямыми линиями в$\pm 45^o$с вертикальным (горизонтальным). Таким образом, световые конусы на диаграмме КС выглядят точно так же, как световые конусы в специальной теории относительности .

Есть небольшая неловкость в том, что на одной диаграмме представлены две вселенные: черная дыра снаружи и внутри выше диагонали.$U=-V$, все остальное это соответствующая "белая дыра" и внутри и снаружи.

Пусть этот последний комментарий (5) немного впитается. Это означает, что мы действительно можем использовать диаграмму KS, чтобы построить интуитивное представление о$\mathscr{D}$возможные истории. Я нарисовал нашего обреченного космонавта$\mathscr{D}$как желтая точка, а их будущий световой конус — это верхняя область, ограниченная двумя оранжевыми линиями. Таким образом, вы можете сразу увидеть, что$\mathscr{D}$обречен, что бы они ни делали, когда-нибудь в будущем столкнуться с сингулярностью (напомним, что сингулярность асимптотирует к линиям$U=\pm V$, так что две оранжевые линии всегда будут пересекать его, независимо от того, в какой точке внутри черной дыры$\mathscr{D}$может быть внутри.

Второе, что очевидно из диаграммы КС, это то, что их прошлый световой конус (та часть нижней области, ограниченная оранжевыми лучами, которая также находится в «нашей Вселенной») не может целиком содержать какую-либо постоянную$\mathscr{O}$время$t$часть нашей Вселенной. Существует часть нашей вселенной, определяемая$t=t_0$для всех конечных$t_0$вне светового конуса, для всех пунктирных линий (постоянные$t$контуры) где-то пересекают край прошлого светового конуса. Это говорит нам, что$\mathscr{D}$ не видит конца вселенной, как они падают за горизонт, хотя, из$\mathscr{O}$точки зрения, для этого им требуется бесконечное время.

Третье, на что следует обратить внимание, — это элегантное описание феномена, на которое ссылается ответ Роба . Засвидетельствуйте, что Мировые Линии (истории) «неподвижного» наблюдателя (кого-то парящего в каком-то радиусе$r>r_s$вне черной дыры) — это гипербола (пунктирная кривая) на диаграмме, которая асимптотирует горизонт событий, но никогда не пересекает его. $\mathscr{O}$время$t$является$\frac{2\,r_s}{c} \operatorname{arctanh}\left(\frac{V}{U}\right)$и становится бесконечным, как$U\to V$.

Наш незадачливый космонавт, кроме того, что увидел несколько интересных оптических эффектов, если обернуться через плечо, пока ничего особенного не заметил.

Взгляд на вещи с точки зрения обреченного объекта: спагеттификация

Это в конечном итоге изменится. Подумайте обо всех пунктах в$\mathscr{D}$тело отдельно. Сначала они падают свободно, т.е. следуют пространственно-временным геодезическим. Они могут это сделать, потому что через какое-то время после пересечения горизонта в данный$\tau$(от$\mathscr{D}$точки зрения) точки на каждой геодезической почти точно находятся там, где они естественно находились бы в свободно падающем теле. Область, в которой действует специальная теория относительности, намного больше, чем$\mathscr{D}$и их космический корабль.

Однако по мере того, как «гравитация становится сильнее» и$\mathscr{D}$приближается к сингулярности, в конечном итоге область вокруг$\mathscr{D}$достаточно мала для специальной теории относительности, становится меньше, чем$\mathscr{D}$его или себя. Это означает, что для разных частей их тела геодеика пространства-времени расходится больше, чем расстояние между ненапряженными частями тела.$\mathscr{D}$тело.$\mathscr{D}$прочность тела на растяжение и сжатие сначала сопротивляется этой тенденции, и точки отклоняются от своих геодезических, потому что их вынуждают к этому кости, сухожилия и плоть. Точно так же, как Земля должна подталкивать вас с силой, которую вы называете «вашим весом», чтобы удерживать вас и удерживать от следования пространственно-временным геодезическим (что привело бы к падению к центру Земли с ускорением).$g$относительно земной поверхности), то же самое происходит и с соединительными механизмами в$\mathscr{D}$тело сначала препятствует тому, чтобы различные биты следовали за их мгновенными сопутствующими кадрами свободного падения . Как$\mathscr{D}$нога "хочет" следовать определенной геодезической, и$\mathscr{D}$торс все более непараллельный, на растяжение/сжатие (в зависимости от$\mathscr{D}$ориентация) напряжение между ними становится все больше и больше. Думаю, вы видите, к чему все идет. До того, как заговорили о брандмауэре черной дыры, я думаю, многие, если не большинство физиков, думали, что ОТО продержится достаточно долго, чтобы описать сцену с такой кровью, которую даже Альфред Хичкок мог проглотить. Тело космонавта в конце концов разрывается на части, вытягивается по радиальным линиям и сдавливается в ортогональном направлении. Эта гротескная и ужасная судьба называется «спагеттификацией» . Следующая диаграмма из статьи Wiki о спагеттификации , вероятно, лучше, чем мои слова.

Пределы ОТО и информационный парадокс черной дыры

Хорошо, мы рассказали сказку, чтобы утолить жажду крови Альфреда Хичкока, и наш несчастный космонавт мертв, но какова окончательная судьба материи их тела? Здесь мы достигаем предела наших познаний в физике. Многие физики, особенно такие, как я, обладающие лишь классическими знаниями ОТО, скажут вам, что ОТО выполняется за пределами некоторой небольшой области около зеленой гиперболы на диаграмме КС, но что каким-то образом ОТО должно разрушиться и быть заменено чем-то, что делает его полностью совместим с квантовой механикой.

В конечном счете, считается, что черная дыра испаряется в излучении Хокинга , и вопрос о том, как информационное содержание того, что входит в черную дыру и что выходит, и даже является ли это информационное содержание одним и тем же, является предметом этой дискуссии, и в будущем Теория квантовой гравитации призвана ответить на эти вопросы. Многие физики считают, что информация сохраняется, т.е.отображение между квантовым состоянием Мира в любое время и в любое другое время является взаимно однозначным и обратимым. То есть, в принципе, если вы знаете полное квантовое состояние Мира в любой момент времени, вы можете предсказать, каким он будет в любое другое время, и вы также можете сказать, каким было состояние, откуда оно пришло в любое время в прошлом. «Природа никогда не забывает, как Она пришла к Своему состоянию» — это разговорный способ сказать это. Однако некоторые физики (хотя я считаю справедливым сказать, что их меньшинство) считают, что этот принцип может нарушаться, поскольку черная дыра поглощает материю и испаряется. Теперь я, вероятно, так же не в себе, как и вы, поэтому я бы посоветовал прочитать вики-страницу об информационном парадоксе черной дыры для получения дополнительной информации.

Если горизонт событий действительно представляет собой поверхность с односторонним движением, ответ таков: все, что происходит внутри горизонта событий, не имеет отношения к нашей Вселенной. Объект, который пересекает горизонт событий, будет казаться стороннему наблюдателю, что для этого требуется бесконечное количество времени, и никакая модель внутренней части черной дыры никогда не может быть проверена.

Является ли горизонт событий действительно поверхностью с односторонним движением — это открытый вопрос, который вызвал много дискуссий, обычно в контексте того, что предсказания того, что происходит внутри горизонта событий, не имеют особого смысла.