Чому простір і час в чорній дірі міняються ролями?

Ласкаво просимо на ScienceClic.
Сьогодні дізнаємося про світлові конуси та чорні діри.
Уявіть, що ви запалюєте свічку.
Свічка випромінює світло, яке поширюється в усіх напрямках, утворюючи бульбашку, розмір якої збільшується.
Ця бульбашка - тривимірна, вона оточує нас повністю.
Якщо ви опинитеся всередині цієї бульбашки, то покинути її вже не зможете, оскільки вам довелося б рухатися швидше, ніж світло.
Уявіть, що ми сприймаємо лиш двовимірний зріз простору.
В такому випадку бульбашка утворює коло, яке розширюється.
Якщо розкласти процес на послідовні зображення, і скласти ці зображення одне за одним, то можна побудувати діаграму, на якій зростаючий світловий "міхур" утворює конус.
Цей конус розширюється від минулого до майбутнього, і всередині конуса ми простежуємо траєкторію в часі.
Бічна поверхня конуса утворює з віссю симетрії кут 45°.
тому що за будь-який заданий проміжок часу світло завжди проходить певну відстань.
За один рік, наприклад, воно у вакуумі проходить відстань, яка має назву «один світловий рік».
Така поверхня в просторі-часі називається світловим конусом.
З плином часу конус розширюється зі швидкістю світла, І, що б ми не робили, нам не вдасться вийти за межі світлового конуса.
Це так званий "світловий бар'єр".
У теорії відносності ці світлові конуси потрібні для розуміння структури Всесвіту.
Зокрема, вони обмежують причинно-наслідкові зв'язки.
Щоб зрозуміти, уявіть подію, яка відбувається далеко від Землі, наприклад, спалах наднової.
Ця подія не зможе вплинути на нас, доки її світловий конус не досягне Землі.
До цього моменту ми не можемо отримати жодної інформації про вибух, оскільки ніщо не може поширюватися швидше за світло.
Цей спалах можна побачити й дослідити лиш після того, як ми увійдемо в його світловий конус.
«Причинність», тобто той факт, що одна подія може спричинити іншу, обмежена швидкістю світла.
Ба більше, світлові конуси дозволяють нам зрозуміти глибоку різницю між поняттями «час» і «простір».
У чому ж полягає відмінність між часом і простором?
Крізь простір ми можемо рухатися в будь-якому напрямку: розвернутися або зробити замкнуту петлю.
Але крізь час всі об'єкти змушені рухатися в одному напрямі.
У часі повернути назад неможливо, ми завжди рухаємося з минулого у майбутнє.
Світлові конуси дозволяють чітко побачити цю різницю.
У просторі ми можемо довільно обирати будь-який напрям руху, але в часі послідовні світлові конуси змушують нас завжди рухатися вперед.
Ми не можемо повернути назад, тому що неможливо покинути ці світлові конуси.
Така властивість дозволяє нам дати чітке визначення поняттю "час".
Час у теорії відносності - це просто напрям, в якому орієнтовані світлові конуси.
Саме відносно цього напрямку ми не можемо повернути назад.
Це напрям, в якому спрямовані усі дозволені траєкторії; напрям, в якому "розташоване" неминуче майбутнє.
З іншого боку, простір - це сукупність усіх інших напрямків, перпендикулярних до часу.
У області Всесвіту, де немає речовини, немає гравітації, структура простору-часу є правильною.
Час і простір утворюють ізометричну прямокутну сітку, а світлові конуси вирівняні в одному напрямі.
Таким чином, ми можемо визначити час "глобально".
На цьому графіку час спрямований праворуч.
Але уявіть, що Всесвіт містить дуже масивне тіло, на кшталт Землі.
Якщо ми впустимо яблуко, то воно почне вільно падати в бік центра планети під дією сили тяжіння.
Однак гравітація впливає не лише на речовину, а й на світло.
Випромінювані яблуком світлові "бульбашки"
також будуть "притягуватися" донизу.
Близько до масивного тіла світлові конуси більше не будуть вирівняні один з одним.
Напрями їхніх осей симетрії вигинатимуться гравітацією все більше і більше.
Поблизу масивного тіла напрями світлових конусів "викривляються".
Інакше кажучи, час ніби нахиляється в бік центра планети.
Яблуко падає вниз, попри те, що воно спочатку було нерухомим, тому що його майбутнє спрямоване донизу.
Маса викривляє геометрію Всесвіту.
Простір і час стають відносними: їхня орієнтація залежить від того, де ми знаходимося.
Це описується загальною теорією відносності.
Чим масивніше тіло, тим більше воно викривляє простір-час.
Але уявіть дуже компактний масивний об’єкт.
Таке тіло створюватиме настільки сильну кривизну, що нижче певної висоти всі світлові конуси будуть орієнтовані донизу.
Якби ми тут запалили свічку, усі світлові промені, незалежно від початкового напряму, були б спрямовані у центр.
Це те, що ми називаємо чорною дірою.
Чорна діра - це сферична область Всесвіту, своєрідна "бульбашка", в якій кривизна простору-часу змушує всі об'єкти падати у центр.
Якщо розглянути двовимірний зріз простору, то чорна діра матиме вигляд стаціонарного круга, що утворюватиме циліндр в просторі-часі.
Межа між чорною дірою і рештою Всесвіту називається «горизонтом».
Над горизонтом деякі світлові промені можуть покинути чорну діру.
Але з-під горизонту світло вийти вже не може.
У чорній дірі світлові конуси змушують будь-який об’єкт рухатися вниз, у центр.
Час під горизонтом спрямований в бік центра чорної діри.
Щоб зрозуміти, чим насправді є чорна діра, доцільно розглянути дві різні точки зору: астронавта, який впав у чорну діру, і віддаленого спостерігача, розташованого на дуже великій відстані.
Для далекого спостерігача гравітація дуже слабка, і біля нього сітка простору-часу є пласкою.
Для нього час на графіку тече зліва направо.
Горизонт чорної діри здається нерухомим, оскільки він збігається з прямою, яка спрямована з минулого в майбутнє.
А тепер розгляньмо падіння астронавта з його власної точки зору.
У міру його наближення до горизонту, час і простір викривляються все більше і більше, що обумовлено присутністю чорної діри.
Астронавт нічого не "відчуває" під час перетину горизонту подій, але в цей момент час і простір вже нахилені на 45°.
Для астронавта горизонт не є горизонтальною лінією з минулого в майбутнє; це "діагональ", яка утворює з часом чи простором кут 45°...
точно так само, як поверхня світлового конуса.
У той час як далекий спостерігач бачить чорну діру нерухомою, для астронавта на горизонті час і простір "нахилені".
Тобто горизонт подій поводить себе, як світловий конус, ось чому з-під горизонту неможливо вибратися.
Після проходження горизонту, час і простір ніби міняються місцями: час тепер спрямований униз, що раніше було просторовим напрямом.
Горизонт подій чорної тепер вже є не місцем в просторі, а миттю в нашому минулому.
А центр чорної діри - це вже не точка, це подія в нашому майбутньому, якої неможливо уникнути.
Всередині горизонту всі об'єкти неминуче падають, оскільки саме в цьому напрямку лежить їхнє майбутнє.
Під час гравітаційного колапсу масивної зірки її останнє випромінене світло, остання світлова "бульбашка"
яка "намагається" розширитися, через викривлений масою зірки простір-час здаватиметься статичною.
Так утворюється чорна діра.
Це [показано] світловий конус, зображений нерухомим через кривизну простору-часу.
Випростувавши просторово-часову сітку, ми відновимо глобальний напрям "стріли" часу.
На цій випрямленій діаграмі ми чітко бачимо, що горизонт чорної діри утворює світловий конус, який з'являється із зірки, що колапсує, світловий конус, з-під "поверхні" якого неможливо вибратися.
Опинившись під горизонтом, ми неминуче потрапимо в центр чорної діри - місце, де кривизна стає настільки великою, що наші моделі втрачають застосовність.
Центр чорної діри - це не місце, це подія у майбутньому.
Нарешті, якщо ми компактифікуємо цю діаграму, то отримаємо діаграму Пенроуза.
На ній регіони простору-часу поза чорною дірою і всередині неї будуть розділені.
Щойно ми перетнемо горизонт, решта Всесвіту відтепер позаду - в нашому минулому.
Ми більше ніколи не зможемо отримати до нього доступ.
Наше єдине можливе майбутнє - це падати... аж до самої сингулярності.