Гравитационная сингулярность

Чтобы лучше понять характер и историческое место возникающих из этой ситуации новых представлений, остановимся на этой стороне проблемы несколько подробнее.

Как известно, устойчивость звезды есть результат действия противоборствующих сил: силы тяготения стремятся сжать звезду, а газовое и лучистое давление, поддерживаемое высвобождением энергии в термоядерных реакциях, распирает звезду. Картина существенно изменяется после исчерпания источников термоядерной энергии: под влиянием сил тяготения звезда неудержимо сжимается. Это катастрофическое сжатие, взрыв, направленный внутрь, называется гравитационным коллапсом. Математическое изучение проблемы привело к выводу, что должен существовать и обратный процесс — катастрофическое расширение вещества из очень малого или даже точечного объема (собственно взрыв, антиколлапс) .

В этих катастрофических процессах скорости вещества близки к скорости света, а гравитационные поля в принципе сколь угодно сильны. Поэтому здесь становятся существенными и даже определяющими эффекты, предсказываемые общей теорией относительности, в первую очередь — искривление пространства — времени. Несчастье состоит в том, что кривизна не просто велика, а сколь угодно велика (бесконечна). Что такое бесконечная кривизна и что при этом происходит, этого мы совершенно не знаем. Это можно сравнить с наблюдением ночного неба в городе. Опытный астроном выедет за город, даже купив жилой вагончик для длительного пребывания, чтобы отблеск огней города не мешал наблюдениям. Физик вообще избегает бесконечностей везде, где это только возможно. Обращение чего-то в бесконечность он склонен рассматривать как неприятную особенность (расходимость, сингулярность) в решениях уравнений, в которой повинна не природа, а он сам, поскольку он, например, использовал неподходящую систему координат, которая не может быть реализована в какой-либо реальной системе отсчета. Во многих случаях это так и есть. Но существуют неустранимые сингулярности, и рассматриваемый случай, судя по всему, имеет дело именно с такими сингулярностями.

С точки зрения общей теории относительности гравитационный взрыв есть тип или этап эволюции определенного (центрально-симметрического) гравитационного поля. Решение уравнений тяготения, описывающих такое поле, давно и хорошо известно—это решение Шварцшильда, исторически первое точное решение уравнений Эйнштейна. Оно имеет две хорошо известные особенности: при радиусе, равном гравитационному, или радиусу сферы Шварцшильда

Начиная с начала двадцатого века, были предприняты попытки устранить эти особенности путем нахождения системы координат, наиболее соответствующей характеру задачи.

Итог этих усилий, видимо, может быть сформулирован так: вся суть ситуации заключается именно в этих особенностях. В разных системах отсчета, т. е. при различном расщеплении пространства—времени на пространство и время, они выглядят по-разному, но избавиться от них нельзя. Сингулярности здесь — не результат нашей неизобретательности, а проявление изощренности природы, которая на этот раз, кажется, граничит со злонамеренностью. Лучшая система координат — не та, в которой устраняются сингулярности (таких систем нет), а та, которая дает возможность лучше понять их характер и видеть все стороны явления. Такой системой является система Крускала. Но она обрушивает на нас сразу слишком много неожиданного, непривычного. Поэтому лучше предварительно вспомнить более невинные проявления изощренности природы.

Знамениты слова Эйнштейна, выбитые на каминной доске в Институте фундаментальных исследований в Принстоне, где он работал года: «Господь бог изощрен, но не злонамерен» (у Эйнштейна бог — шутливый синоним природы).