Строго теоремы общей относительности говорят о геодезической неполноте: существуют пути свободно падающих тел, которые заканчиваются за конечное собственное время, хотя теория не задаёт продолжения.
Сингулярностью называют не отдельный небесный объект внутри чёрной дыры, а границу классического описания пространства-времени.
В популярном изложении это часто превращают в «точку бесконечной плотности». Такая фраза наглядна, но может вводить в заблуждение.
Сингулярность не равна горизонту
Горизонт событий — причинная граница, после пересечения которой нельзя послать сигнал во внешний мир. Для достаточно большой чёрной дыры локальные условия на горизонте могут быть спокойными. Сингулярное поведение классическая теория помещает глубже; у вращающихся дыр математическая структура сложнее простой центральной точки.
Роджер Пенроуз показал, что сингулярности не являются лишь артефактом идеально сферических моделей: при достаточно общих условиях гравитационный коллапс в классической теории приводит к неполноте пространства-времени. За эту работу он получил половину Нобелевской премии по физике 2020 года.
Почему ответ пока не окончательный
Общая относительность описывает гравитацию и крупные масштабы, а квантовая теория — микромир. В области, где кривизна и плотность становятся экстремальными, нужны обе. Завершённой и экспериментально подтверждённой квантовой теории гравитации пока нет.
Почему наблюдение не заглядывает в центр
Телескопы получают свет и движение вещества до пересечения горизонта, а детекторы гравитационных волн проверяют динамику пространства-времени при слиянии. Ни один сигнал из внутренней области не возвращается наружу. Поэтому данные могут испытывать общую относительность возле горизонта, но вопрос о замене классической сингулярности остаётся теоретическим.
Наблюдения чёрных дыр проверяют пространство снаружи горизонта; они подтверждают объекты, предсказанные общей относительностью, но не раскрывают устройство их центра. В строгой общей относительности сингулярность формулируют через неполноту геодезических, а не просто как видимую точку бесконечной плотности. В простых решениях уравнений Эйнштейна некоторые величины стремятся к бесконечности, а траектории частиц и света нельзя продолжить дальше.
Поэтому физики не наблюдали сингулярность напрямую и не знают, остаётся ли там буквальная бесконечность. Возможная новая теория может заменить её квантовой структурой, отскоком или другим конечным состоянием.
