Краткие ответы на большие вопросы

В сингулярности уравнения Эйнштейна перестают действовать. Это означает, что в точке бесконечной плотности невозможно предсказать будущее. Из этого следует, что при коллапсе звезды должно происходить нечто странное. На нас никак не может повлиять нарушение предсказуемости, если сингулярность не обнажена — то есть не защищена извне. Пенроуз выдвинул принцип космической цензуры: все сингулярности, образованные в результате коллапса звёзд или иных объектов, скрыты от наблюдателя внутри чёрных дыр. Чёрная дыра — область, где гравитация настолько сильна, что свет не может её покинуть. Принцип космической цензуры почти наверняка верен, поскольку множественные попытки опровергнуть его успехом не увенчались.

В 1967 году Джон Уилер предложил термин «чёрная дыра» вместо существовавшего раньше термина «застывшая звезда». Выражение Уилера подчёркивает, что остатки коллапсировавших звёзд существуют сами по себе вне зависимости от того, как они формировались. Новый термин быстро прижился.

Извне невозможно понять, что происходит внутри чёрной дыры. Что бы в неё ни попадало, каким бы образом она ни сформировалась, чёрная дыра выглядит одинаково. Джон Уилер выразился по этому поводу так: «У чёрных дыр нет волос».

Чёрная дыра имеет границу, которая называется горизонтом событий. В этой области сила гравитации достаточно сильна, чтобы удерживать свет и не дать ему покинуть чёрную дыру. А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, то и всё остальное тоже постоянно затягивается назад и не может её покинуть. Падение сквозь горизонт событий можно сравнить с катанием на каноэ у Ниагарского водопада. Если вы достаточно далеко от края, вы можете отплыть от него, если грести очень быстро. Но рядом с обрывом вам уже ничто не поможет. Течение ускоряется. Нос каноэ тянет вперёд сильнее, чем корму. Есть опасность, что лодку унесёт течением. То же самое с чёрными дырами. Если вы падаете в чёрную дыру ногами вперёд, гравитация будет действовать сильнее на ноги, чем на голову, потому что ноги ближе к чёрной дыре. В результате вас будет растягивать в длину и сжимать по бокам. Если чёрная дыра обладает массой в несколько раз больше солнечной, вы будете разорваны и превращены в спагетти прежде, чем достигнете горизонта. Но если чёрная дыра обладает массой в миллион раз больше солнечной, то сила гравитации будет действовать равномерно на всё тело и вы без проблем достигнете горизонта. Так что если соберётесь исследовать внутренности чёрной дыр, постарайтесь выбрать объект покрупнее. Например, в центре нашей Галактики есть чёрная дыра с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца.

Падая в чёрную дыру, вы ничего не заметите. Стороннему наблюдателю ни за что не удастся увидеть, как ваше тело проходит сквозь горизонт событий. Падение будет замедляться, и тело зависнет снаружи. Только силуэт будет становиться всё более размытым, обретать красный цвет, а потом просто исчезнет из виду. С точки зрения внешнего мира, вы исчезнете навсегда.

Вскоре после рождения моей дочери Люси меня посетило озарение. Я открыл теорему площади. Если общая теория относительности верна и плотность энергии материи положительна, как это обычно бывает, тогда площадь горизонта событий, или граница чёрной дыры, должна обладать свойством обязательно увеличиваться при попадании в чёрную дыру нового вещества или излучения. Более того, если две чёрные дыры столкнутся и сольются в одну, площадь горизонта событий новой дыры должна быть больше суммы площадей горизонтов событий двух исходных объектов. Теорему площади оказалось возможным экспериментально проверить в лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Четырнадцатого сентября 2015 года LIGO зафиксировала гравитационные волны от столкновения и слияния двух чёрных дыр. По форме гравитационной волны можно вычислить массу и момент импульса чёрных дыр, а теорема об «отсутствии волос» даёт возможность вычислить площади горизонтов.

Эти характеристики предполагают, что существует сходство между площадью горизонта событий чёрной дыры и одним из терминов традиционной классической физики, а именно энтропией в термодинамике. Энтропию можно рассматривать как меру неопределённости (хаотичности) некой системы или, что эквивалентно, отсутствия знания о её точном состоянии. Знаменитый второй закон термодинамики гласит, что энтропия нарастает со временем. Это открытие стало первым намёком на сущствующее сходство.