Це більше питання для стека «Фізика», але я зроблю його, бо досить базовий.
Вам потрібно щось зрозуміти, перш ніж ми почнемо. Теоретична база, яку ми маємо оцінити та відповідати на цю річ, називається Загальною відносністю, запропонованою Ейнштейном у 1915 році. У ній описані такі речі, як гравітація, чорні діри або просто будь-які явища, де задіяні великі щільності маси чи енергії. .
Є ще одна глава фізики під назвою Квантова механіка. Це описує, як правило, те, що відбувається в дуже маленьких масштабах - речі, які є надзвичайно крихітними.
І GR, і QM добре по-своєму. Обидва тестуються на реальність і працюють дуже добре. Але вони не сумісні між собою. Значення: ви не можете описати явище з точки зору GR та QM, обидва одразу. Або означає: у нас немає узгодженого набору рівнянь, які ми могли б записати, а потім "витягти" з них або GR-подібний погляд на реальність, або QM-подібний погляд.
Проблема полягає в тому, що центр чорної діри є як дуже великою масовою щільністю, так і дуже високою силою тяжіння (і, отже, прямо в області ГР), і дуже малою (і тому "квантоподібною"). Щоб правильно вирішити цю проблему, нам доведеться узгодити GR та QM та працювати з обома одразу. Це неможливо при сучасній фізиці.
Нам, як правило, доводиться дотримуватися ГР лише зараз, коли ми говоримо про чорні діри. Це в основному означає, що все, що ми говоримо про центр чорної діри, ймовірно, є неповним і підлягає подальшому перегляду.
Зірка гине, обвалюється в чорну діру, що в центрі? Маса зірки ущільнюється в розмір довжини дошки чи щось подібне невелике? Невже в центрі чорної діри немає нічого, безумовно, серцевина впала в щось, просто справді маленьке, правда?
Згідно із загальною відносністю, вона руйнується аж до нічого. Не просто "дуже маленький", але і менший, і менший, поки розмір точно не дорівнює нулю. Щільність стає нескінченною.
Ви не можете сказати "Довжина дошки", оскільки, пам’ятайте, ми не можемо поєднати GR та QM, ми просто не знаємо як. Все, що ми маємо тут, - це GR, і GR каже, що це йде повністю вниз.
Цілком можливо, що сингулярність є не фізичною, а просто математичною - іншими словами, те, що знаходиться в центрі, насправді не дорівнює нулю. Зокрема, квантова механіка буде ображена на речі нульового розміру. Але ми не можемо сказати точно, тому що наші знання тут неповні.
Я використовую такі слова, як "розмір" (що передбачає простір) і "стає" (що передбачає час). Але і простір, і час у контексті чорної діри дуже серйозно викривлені. "Становлення" чорної діри аж до нульової величини є реальністю лише для нещасного спостерігача, який потрапив у неї. Але для віддаленого зовнішнього спостерігача цей процес сповільнюється і розширюється до плюс нескінченності (він завершується лише через нескінченно довгий час). Обидва спостерігачі вірні, BTW.
Редагувати:
Отже, коли ми говоримо, що "щільність нескінченна, а розмір дорівнює нулю в сингулярності", ця мова застосовується до того, як нещасного спостерігача перетягнули в середині початкового колапсу зірки.
Але з точки зору віддаленого спостерігача, чорна діра - це все-таки шматок маси (первісна зірка) в ненульовому обсязі (горизонт подій БГ). Для цього спостерігача щільність цього об'єкта є кінцевою, а його розмір, безумовно, не дорівнює нулю. З цього погляду все, що потрапляє в БГ, ніколи не закінчує падіння, а просто сповільнює все більше і більше.
Обидва спостерігачі вірні. Отже, майте на увазі, коли я говорю про "нескінченну щільність", то це внутрішня точка зору спостерігача.
Що таке сингулярність? Чи це саме так викривлення космічного часу робить це?
Ви отримуєте сингулярність, коли в рівняннях є ділення на нуль або коли рівняння якимось чином поводяться в цій точці. У науці існує багато різноманітних особливостей.
http://en.wikipedia.org/wiki/Mathematical_singularity
У контексті чорної діри центр називається гравітаційною сингулярністю, оскільки, згідно з рівняннями GR, щільність і гравітація пропонуються нескінченними.
GR говорить: коли у вас є грудка речовини, яка є достатньо великою, вона починає так важко руйнуватися в собі, що нічого не може зупинити. Він постійно падає і падає в себе, без жодної межі. Екстраполюйте цей процес, і неважко помітити, що його розмір має тенденцію до нуля, а щільність має безмежне значення.
Редагувати:
По-іншому - якщо щільність стає достатньо великою, сила тяжіння настільки величезна, жодна інша сила не є достатньо сильною, щоб протистояти їй. Це просто руйнує всі перешкоди, які виникають у справі, щоб протистояти подальшому руйнуванню. Цей грудочок речовини просто розчавлює себе, власна сила тяжіння об'єднує його все менше і менше ... і менше ... і так далі. Згідно з сучасними теоріями, ніщо це не може зупинити (QM може зупинити це, але ми не можемо довести це, оскільки у нас немає математики). Таким чином, вона просто спіралізується в порочний цикл постійно зростаючої сили тяжіння, що збільшується сама.
Простір і час дійсно патологічні всередині горизонту подій. Якщо ви вже всередині, виходу немає. Це не тому, що ви не можете просунутися досить швидко, а тому, що дійсно немає виходу . Незалежно від того, куди ви звернете, ви дивитесь на центральну особливість - і в просторі, і в часі. Немає мислимої траєкторії, яку можна було б зробити, починаючи з внутрішньої сторони горизонту події, яка веде назовні. Усі траєкторії вказують на сингулярність. Усі ваші можливі ф'ючерси, якщо ви знаходитесь в горизонті подій, закінчуються в центральній особливості.
Отже, чому центр чорної діри називають «сингулярністю»? Тому що всілякі розриви та поділи на нуль вискакують з рівнянь, коли ви підштовхуєте математику до межі, намагаючись описати самий центр чорної діри, в межах GR.
http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_singularity
Якщо говорити загалом, фізики не люблять особливості. У більшості випадків це є свідченням того, що математичний апарат вийшов з ладу, і в цей момент необхідні деякі інші обчислення. Або це може означати, що там відбувається нова фізика, яка витісняє стару фізику.
І останнє: лише тому, що ми не маємо комбінованої теорії GR / QM, яка б повністю описала центр чорних дір, це не означає, що чисте дослідження GR в цій галузі є "неправильним" або "марним". Це не означає, що можна уявити якусь довільну фантазію, що відбувається всередині чорної діри.
У цей час астрономи починають спостерігати космічні об'єкти, які дуже схожі на чорні діри , і їхні спостережувані властивості дуже узгоджуються з тим, що прогнозує ГР для таких речей. Тож дослідження в цій галузі повинні продовжуватися, оскільки це явно на правильному шляху, принаймні тим, як ми можемо сьогодні перевірити астрономію.