Это больше вопрос к стеку физики, но я попробую, так как он довольно простой.
Вам нужно кое-что понять, прежде чем мы начнем. Теоретическая структура, которую мы должны измерить и ответить на подобные вещи, называется Общая теория относительности, которая была предложена Эйнштейном в 1915 году. Она описывает такие вещи, как гравитация, черные дыры или почти любые явления, в которых участвуют большие плотности массы или энергии. ,
Есть еще одна глава в физике, которая называется Квантовая механика. Это описывает, как правило, то, что происходит в очень маленьких масштабах - вещи, которые очень малы.
И GR, и QM по-своему хороши. Оба проверены на реальность и работают очень хорошо. Но они не совместимы друг с другом. Значение: вы не можете описать явление с точки зрения ГР и КМ, и то и другое одновременно. Или смысл: у нас нет связного набора уравнений, которые мы могли бы записать, а затем «извлечь» из них либо GR-подобный взгляд на реальность, либо QM-подобный взгляд.
Проблема в том, что центр черной дыры имеет как очень высокую плотность массы, так и очень высокую гравитацию (и, следовательно, прямо в области ОТО), и очень маленький (и, следовательно, «квантовый»). Чтобы должным образом справиться с этим, мы должны были бы согласовать GR и QM и работать с обоими одновременно. Это невозможно с современной физикой.
Мы в значительной степени должны придерживаться GR только сейчас, когда говорим о черных дырах. Это в основном означает, что все, что мы говорим о центре черной дыры, возможно, является неполным и подлежит дальнейшему пересмотру.
Звезда умирает, падает в черную дыру, что находится в центре? Масса звезды уплотняется до размеров доски или чего-то такого же маленького? Неужели нет ничего в центре черной дыры? Конечно, ядро развалилось во что-то, просто очень маленькое, верно?
Согласно Общей теории относительности, она рушится до нуля. Не просто «очень маленький», а все меньше и меньше, пока он не станет равным нулю. Плотность становится бесконечной.
Вы не можете сказать «длина доски», потому что, помните, мы не можем объединить GR и QM, мы просто не знаем как. Все, что у нас есть, это GR, и GR говорит, что все идет вниз.
Вполне возможно, что сингулярность не физическая, а просто математическая, иными словами, то, что находится в центре, на самом деле не равно нулю. В частности, квантовая механика будет оскорблена вещами нулевого размера. Но мы не можем сказать наверняка, потому что наши знания здесь неполны.
Я использую такие слова, как «размер» (что подразумевает пробел) и «становится» (что подразумевает время). Но пространство и время в контексте черной дыры очень серьезно искажены. «Становление» черной дыры вплоть до точки нулевого размера является реальностью только для незадачливого наблюдателя, попавшего в нее. Но для отдаленного внешнего наблюдателя этот процесс замедлен и расширен до бесконечности плюс (он завершается только через бесконечно долгое время). Оба наблюдателя верны, кстати.
РЕДАКТИРОВАТЬ:
Таким образом, когда мы говорим «плотность бесконечна, а размер равен нулю в сингулярности», этот язык относится к несчастному наблюдателю, утащенному в середине первоначального коллапса звезды.
Но с точки зрения отдаленного наблюдателя, черная дыра все еще является частью массы (исходная звезда) в ненулевом объеме (горизонт событий ЧД). Для этого наблюдателя плотность этого объекта конечна, и его размер определенно не равен нулю. С этой точки зрения все, что попадает в ЧД, никогда не заканчивает падение, а просто замедляется все больше и больше.
Оба наблюдателя верны. Итак, имейте в виду, когда я говорю о «бесконечной плотности», это точка зрения внутреннего наблюдателя.
Что такое особенность? Это только искажение пространства-времени, которое делает это таким образом?
Вы получаете сингулярность всякий раз, когда в уравнениях есть деление на ноль, или когда уравнения плохо себя ведут в этой точке. В науке есть много разных особенностей.
http://en.wikipedia.org/wiki/Mathematical_singularity
В контексте черной дыры центр называется гравитационной сингулярностью, поскольку согласно уравнениям ОТО плотность и гравитация становятся бесконечными.
Г.Р. говорит: когда у вас есть достаточно большой кусок вещества, он начинает так сильно разрушаться, что ничто не может его остановить. Оно продолжает падать и падать в себя без каких-либо ограничений. Экстраполируйте этот процесс, и легко увидеть, что его размер стремится к нулю, а плотность стремится к бесконечному значению.
РЕДАКТИРОВАТЬ:
Иными словами, если плотность становится достаточно большой, гравитация настолько велика, что никакая другая сила не является достаточно сильной, чтобы противостоять ей. Он просто разрушает все барьеры, которые поднимает материя, чтобы противостоять дальнейшему сокрушению. Этот кусок материи просто раздавливает себя, его собственная гравитация притягивает его все меньше и меньше ... и меньше ... и так далее. Согласно существующим теориям, ничто не может остановить это (QM может остановить это, но мы не можем доказать это, потому что у нас нет математики). Так что он просто скручивается в порочный круг все возрастающей гравитации, которая увеличивается.
Пространство и время действительно патологичны внутри горизонта событий. Если вы уже внутри, выхода нет. Это не потому, что вы не можете двигаться достаточно быстро, а потому, что на самом деле нет выхода . Независимо от того, в какую сторону вы поворачиваете, вы смотрите в сторону центральной сингулярности - как в пространстве, так и во времени. Нет мыслимой траектории, которую вы могли бы нарисовать, начиная с горизонта событий, который ведет наружу. Все траектории указывают на особенность. Все ваши возможные варианты будущего, если вы находитесь внутри горизонта событий, заканчиваются центральной сингулярностью.
Итак, почему центр черной дыры называется «сингулярностью»? Потому что всевозможные разрывы и деления на ноль выпрыгивают из уравнений, когда вы толкаете математику до предела, пытаясь описать самый центр черной дыры в рамках ОТО.
http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_singularity
Вообще говоря, физикам не нравятся особенности. В большинстве случаев это свидетельствует о том, что математический аппарат сломался, и в этот момент необходимы некоторые другие вычисления. Или это может указывать на то, что там происходит новая физика, заменяющая старую физику.
И последнее: только потому, что у нас нет объединенной теории GR / QM для полного описания центра черных дыр, это не означает, что чистые исследования GR в этой области являются «неправильными» или «бесполезными». Это не значит, что можно представить какую-то произвольную фантазию, происходящую внутри черной дыры.
Астрономы в наши дни начинают наблюдать космические объекты, которые очень похожи на черные дыры , и их наблюдаемые свойства находятся в очень тесном соответствии с тем, что предсказывает GR для таких вещей. Поэтому исследования в этой области должны продолжаться, потому что они явно находятся на правильном пути, по крайней мере, в том, что мы можем проверить сегодня в астрономии.