Час та простір вважається фундаментальною ознакою всесвіту. Згідно з теорією відносності Ейнштейна, час не абсолютний, а відносний до спостерігача і гравітаційного поля. Це означає, що він може бігти швидше або повільніше залежно від швидкості та положення точки відліку, а також від сили гравітації навколо екстремального об’єкта.
Але що відбувається, коли спостерігач наближається до чорної діри, а тим більше попадає в тунель ЧД?
Сформулюємо більш коректно: навіть якщо навіть ми залишимось живими, чи зможемо ми спостерігати фізику чорної діри, якщо зміниться фізика часу?
Так, чорні діри - це об'єкти, які мають настільки сильне гравітаційне тяжіння, що ніщо, навіть світло, не може вирватися з них. Вони утворюються, коли масивні зірки колапсують під власною вагою, створюючи точку нескінченної густини і нульового об'єму, яка називається сингулярністю.
Сингулярність оточена сферичною областю простору, яка називається горизонтом подій, з якої не можна отримати жодної інформації. Горизонт подій позначає точку неповернення для всього, що потрапляє в туди, в середину “іншого” простору.
Що відбувається з часом поблизу чорної діри?
Згідно з теорією відносності, чим ближче спостерігач до ЧД, тим повільніше буде йти його годинник порівняно з віддаленим спостерігачем. Це відбувається тому, що її гравітація викривляє тканину простору-часу, розтягуючи її поблизу горизонту подій і стискаючи до сингулярності.
Таким чином виникає ефект гравітаційного уповільнення часу, і він стає більш вираженим, коли ми наближаєиось до горизонту подій.
Однак це не означає, що час зупиняється на кордоні горизонту подій. Зовнішньому спостерігачеві може здатися, що об'єкт, який падає у викривлений простір, ніколи не перетне горизонт подій, а буде ніби завмирати і зникати внаслідок червоного зсуву.
Світло, випромінюване об'єктом, розтягується до довших довжин хвиль під дією екстремальної гравітації, роблячи його тьмянішим і червонішим. Зрештою, світло витягується за межі видимого спектру, що робить об'єкт невидимим.
Але для об'єкта, що падає в чорну діру, ефекту заморожування не відбувається. Він перетне горизонт подій за скінченний проміжок власного часу, тобто часу, який вимірюється його власним годинником.
Тобто об'єкт не помітить жодних раптових змін у своєму оточенні, коли він перетне горизонт подій, але він відчує приливні сили, які розірвуть його на частинки. Після цього продовжиться падіння до сингулярності, де простір і час стають нескінченно викривленими.
Проблема в тому, що й класична фізика, і фізика відносності оперує координатним часом. Як, власне, і простором. Тому ми говоримо про точку відліку або спостерігача. “Щось” ми завжди розташовуємо в інше “щось”, а потім спостерігаємо як ці два об’єкти взаємопов’язані між собою. Або аналізуємо, чтому вони по-різному сприймають фундаментальні природні речі.
Але... в системі координат Шваршильда, тобто нерухомої “чорної діри”, не існує універсальної часової координати. Адже відсутня геометрія у класичному значенні цього слова.
Час майбутнього
Що, можливо, існує, так це власне час - час уздовж світової лінії спостерігача, який намагається перетнути горизонт подій. Координатний час — це привілей спостерігача, який знаходиться поза “зоною відповідальності” Шварцшильда.
Тобто координатний час відповідає дійсному часу лише для спостерігача, чия світова лінія така, що він висить на фіксованій відстані від чорної діри: для спостерігача, дуже далекого від чорної діри, координатний час буде саме дійсним часом.
Якщо горизонт дійсно існує, то він замкнений нульовою поверхнею. Світло прямує в майбутню нульову нескінченність.
Це означає, що за горизонтом подій час існує виключно в “майбутньому”, або координатний час стає сингулярним. Як маса, простір. Гравітація, слабка та сильна взаємодії.
Ви не зможете продовжити зовнішній координатний час через його сингулярність на горизонті подій. Бо координати “згортаються”.
Точно ми не знаємо. Ви можете навіть знайти іншу систему координат, іншу часову координату або довести, що вимірювання “в принципі” неможливе. Якщо існує тільки “майбутній” час.
Але спробуємо відновити хід подій.
Здається, що з простором-часом прямо на горизонті все гаразд. Ви плавно перетинаєте кордони. Речі провалюються.
Ви дивитесь на простір-час по той бік горизонту. З точки зору цієї нової системи координат. І тут ви розумієте, що “внутрішній” простір-час зовсім інший. Бо він статичний. Він завжди орієнтований на майбутнє і анізотропію: існують великі і швидко зростаючі приливні сили, локальні інерційні системи відліку і принцип незворотності, який набуває різних, в тому числі і квантових форм.
Сингулярність дійсно існує. Але для чорної діри, що не обертається, ця сингулярність знаходиться в майбутньому для всього, що падає в неї ззовні. Коли? Неважливо. Але все падає в майбутнє - хоча це сприймається як звичайний плин часу, як сильна, анізотропна і зростаюча приливна сила.
Спостерігач, який падає крізь неї, все ще може бачити зовнішній світ - світло, що потрапляє всередину, все ще рухається до нього зі своєю власною швидкістю с. Хоча картина, яку він бачить, буде неймовірно спотворена.
Світло багато разів обернеться навколо ЧД, а ми — на практиці - побачить кілька зображень зовнішнього світу, оскільки світлові промені кружляють/заморожуються навколо нас.
В якийсь момент ми побачимо себе в іншому місці. Такий собі квантовий ефект, тільки на макрорівні, для “баріонних” речей.
Спостерігач, який висить далеко зовні, бачить колегу, який падає всередину, поступово червоніючим все більше і більше. Згодом картинка зникає. Не тому, що зникає зовсім-назавжди, а тому, що потрапляє в майбутнє з нульовою нескінченністю. Останні фотони, які виходять від спостерігача, що падає, з точки зору далекого зовнішнього спостерігача виходять з “далекого майбутнього”. Хоча відстань між експериментаторами (двома точками відліку) може бути сміхотворною.
Але ми орієнтуємось та рахуємо відносно червоного спектра.
Тепер фактичне формування горизонту в реальному колапсі матерії є складнішою річчю для опису.
Далі - колапсуючий розподіл матерії. Виникає проблема початкових значень рівнянь Ейнштейна, яку потрібно інтегрувати до точки, де з'являється горизонт подій. Задачка для ідеально симетричних розподілів матерії. Чого не існує в природі.
Рухаємось далі. Спочатку отримуємо зовнішню метрику Шварцшильда. У точці, де починає існувати матерія, вона плавно переходить у внутрішній розв'язок, і тому внутрішній розв'язок не буде розв'язком Шварцшильда, а предстане нестатичним простором-часом, що колапсує, з матерією всередині.
Густина матерії зростає і зрештою сформується горизонт - але час, коли він формується... залежить від спостерігача.
"До" формування горизонту скрізь буде плавна часова координата. Але безпосередньо біля центру розподілу маси ця часова координата стає все більш і більш сингулярною в міру того, як матерія падатиме всередину.
Коли в середині буде достатньо матерії, сформується горизонт, який розширюватиметься назовні - насправді станеться прямо посередині, так що горизонт почнеться з нульової площі з точки зору далекого зовнішнього спостерігача.
По той бік кордону здається, що матерія поступово прискорюється, зрештою спостерігач провалюється крізь горизонт. Якщо він зуміє зупинити падіння і зависнути, тоді побачить занадто багато світла — весь всесвіт буде здаватися нескінченим світлом. Бо рухається зі швидкістю світла.
Але спочатку буде надзвичайно спотворений вигляд ззовні, максимальне концентрування матерії в одній точці.
Горизонт утворився тому, що надто багато матерії потрапило всередину гравітаційного радіуса. Тепер він простягається аж до майбутньої нульової нескінченності, і все всередині горизонту падає до сингулярності протягом скінченного часу., Значення слів "зараз", "там", навіть”тут” залежить від умовної точки спостереження.
І на останок. Випромінювання Гокінга з'являється як тільки формується горизонт. Але з точки зору спостерігача, що знаходиться далеко — необхідно виміряти розподіл матерії.
Тобто випромінювання Гокінга повинно бути настільки потужним, щоб вирвати матерію та зупинити формування сингулярності.
Але в точці, де утворюється горизонт, світло рухається точно вздовж горизонту. Відтак. масивні частинки також рухаються вздовж траєкторій, подібних до часових. Матерія, що падає, не може зупинитися - вона “навічно” потрапляє в майбутнє.
Інакше кажучи , горизонт і сингулярність неминуче розвинуться, як тільки матерія не зможе створити достатній тиск, щоб зупинити власний колапс.
Таке враження, нібито ми живемо всередині чорної діри. Але це може бути тільки враження.
