Одним из главных выводов этой теории является вывод о тесной связи между геометрическими свойствами пространства, темпом течения времени и распределением массы. В частности, любые массы искривляют пространство и тем сильнее, чем эти массы больше.

Как известно, классическая физика Ньютона рассматривала пространство Вселенной как пустое «вместилище», в котором расположены небесные тела, взаимодействующие по закону всемирного тяготения.

Если бы из мира исчезла вся материя, говорил Эйнштейн, формулируя для широкой публики различие между классической физикой и общей теорией относительности, то с точки зрения физики Ньютона пространство и время сохранились бы. С точки зрения общей теории относительности с исчезновением материи исчезли-бы пространство и время.

Нет абсолютного пространства и абсолютного времени, единых для всей Вселенной. И пространство, и время — формы существования материи.

Еще в довоенные годы физики рассмотрели любопытную теоретическую возможность: если очень большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то под действием собственного тяготения это вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает катастрофа — гравитационный коллапс — падение вещества в точку, где плотность в принципе может достигнуть чуть ли не бес конечной величины…

В процессе коллапса растет концентрация массы, растет в соответствии с общей теорией относительности и кривизна. Дело в том, что сильные поля тяготения существенным образом искривляют пространство в сфере своего действия. Это может проявляться, например, в отклонении от прямолинейного распространения световых лучей вблизи каких-либо масс, в частности, в отклонении света далеких звезд при его прохождении вблизи Солнца.

В конце концов, в результате сжатия наступает момент, начиная с которого ни один физический сигнал не может «вырваться» изнутри коллапсирующего образования наружу, и для внешнего наблюдателя оно как бы перестает существовать. Вот такой объект и называется черной дырой. От него к нам не поступает никакая информация. Ведь любая информация должна иметь «материального носителя» — она не может распространяться сама собой.

Правда, тут следует сделать оговорку. Хотя непосредственно обнаружить черную дыру невозможно, она, строго говоря, невидимкой в том смысле, который вкладывал в это понятие Уэллс, все же не является: мы не можем видеть сквозь нее. Отсюда и название — черная дыра.

Возможно, именно по этой причине теоретическое исследование, о котором шла речь выше, было выполнено по принципу: «рассмотрим некоторую воображаемую ситуацию и попытаемся выяснить, что из нее получается….». О существовании во Вселенной реальных черных дыр в то время не было никаких фактических данных.

Заметим, кстати, что принципиальная возможность существования объектов типа черных дыр вытекает и из обычной классической механики. На это обратил внимание в конце XVIII в. П. Лаплас. Но полная теория физических процессов, происходящих в черных дырах, может быть построена только с позиций общей теории относительности.

В последние десятилетия в глубинах космоса был открыт целый ряд явлений, которые говорят о возможности концентрации огромных масс вещества в сравнительно небольших областях пространства. В связи с этим астрофизики снова вспомнили о гравитационном коллапсе и пришли к выводу, что существует ряд космических процессов, которые в принципе могут приводить к образованию черных дыр.

Черные дыры привлекают к себе внимание не только потому, что в них могут достигаться чудовищно большие плотности, но и потому, что в районе этих объектов, возможно, приобретают совершенно удивительные, экзотические свойства пространство и время.

Одно из существенных различий между теориями тяготения Ньютона и Эйнштейна состоит в том, что гравитационные силы определяются в этих теориях различными формулами. Формула, выражающая закон тяготения Ньютона, общеизвестна:

где G — постоянная тяготения, Mm — массы взаимодействующих тел, a R — расстояние между их центрами. Именно с такой силой, например, звезда массы М, с точки зрения классической теории тяготения, притягивает тело массы m, расположенное на ее поверхности.

В теории тяготения Эйнштейна сила тяготения определяется иной формулой:

где с — скорость света в пустоте.

Различие этих формул определяет и разный характер поведения силы тяготения в тех или иных ситуациях. Рассмотрим, например, случай, когда звезда массы М сжимается в точку, т. е. расстояние между ее центром и центром тела массы т сокращается.

Согласно формуле (4), сила тяготения при этом будет соответственно расти, оставаясь в то же время конечной при любом конечном расстоянии.

Иным будет поведение силы тяготения, рассчитанной по формуле (5). При определенной величине R=r_g выражение под корнем в знаменателе обращается в нуль, а F_э — в бесконечность.

Подсчитаем величину r_g:

Эта величина получила название гравитационного радиуса. Если R намного больше, чем r_g, то выражение под корнем в знаменателе формулы (5) мало отличается от единицы, так как с² — величина очень большая и дробь пренебрежимо мала. В этом случае формула (5) практически совпадает с формулой (4). Однако по мере того, как R приближается к r_g, различие становится все более существенным. И при R = r_g сила тяготения, как мы уже знаем, становится бесконечно большой.

Можно подсчитать, что для массы Солнца гравитационный радиус равен 3 км, для массы Земли — 0,9 см; а для массы нашей Галактики — 10¹¹ км, в то время как действительные радиусы этих объектов соответственно равны 700 тыс. км, 6400 км и 9·10¹⁷ км. Таким образом, размеры «обыкновенных» космических объектов — планет, звезд, галактик, как правило, в миллионы и миллиарды раз больше их гравитационных радиусов. Отсюда, между прочим, следует, что для небесных тел, сходных с Землей или Солнцем, эффекты общей теории относительности (ОТО) весьма невелики, и практически их можно не принимать во внимание.

Отметим одно любопытное обстоятельство. Хотя гравитационные радиусы Земли и Солнца весьма заметно отличаются от их реальных радиусов, тем не менее они имеют конечные значения. Возникает вопрос: чему равна сила тяготения F_э на расстояниях, еще меньших, чем r_g? Ведь уже при r_g она равна бесконечности. Все дело в том, что в наших расчетах мы вычисляли силу тяготения, действующую на покоящееся «пробное» тело массы М. В действительности же сфера радиуса r_g — так называемая сфера Шварцшильда — обладает тем свойством, что любое тело, оказавшееся на ее поверхности или внутри нее, не может оставаться неподвижным — оно должно падать внутрь…

Следовательно, если любое тело окажется на сфере Шварцшильда (иногда ее называют «горизонтом черной дыры»), то оно будет двигаться только внутрь черной дыры.

Свойства невращающихся черных дыр, образовавшихся в результате коллапса, зависят только от двух параметров: массы и электрического заряда. Все остальные возможные различия, связанные с распределением коллапсирующей массы в пространстве, вещественным составом и т. п., в процессе коллапса полностью исчезают. Поэтому по состоянию такой черной дыры в данный момент невозможно восстановить ее предысторию.

Рассмотрим ситуацию, которую нередко используют авторы научно-фантастических произведений в качестве «физической предпосылки» для развития событий. Звездолет неосторожно приблизился на критическое расстояние к черной дыре, и его «затянуло» под сферу Шварцшильда. Может ли в такой ситуации экипаж предпринять какие-либо эффективные меры для своего спасения? К сожалению, таких мер не существует. И не более чем через 10^-5 (М/Мс) секунд (где М — масса черной дыры, а Мс — масса Солнца) звездолет попадет в центр черной дыры.