В астрофизике горизонт событий — это граница, за которой события не могут повлиять на наблюдателя. Вольфганг Риндлер придумал этот термин в 1950-х годах. [1]
В 1784 году Джон Мичелл предположил, что гравитация может быть настолько сильной вблизи массивных компактных объектов, что даже свет не сможет их покинуть. [2] В то время господствовали ньютоновская теория гравитации и так называемая корпускулярная теория света . В этих теориях, если скорость убегания гравитационного воздействия массивного объекта превышает скорость света, то свет, возникающий внутри или из него, может временно уйти, но потом вернется. В 1958 году Дэвид Финкельштейн использовал общую теорию относительности , чтобы ввести более строгое определение горизонта событий локальной черной дыры как границы, за которой события любого рода не могут повлиять на внешнего наблюдателя, что привело к парадоксам информации и межсетевого экрана , побуждая к пересмотру концепции. локальных горизонтов событий и понятие черных дыр. Впоследствии было разработано несколько теорий, некоторые с горизонтом событий, а некоторые без него. Один из ведущих разработчиков теорий, описывающих черные дыры, Стивен Хокинг предложил использовать видимый горизонт вместо горизонта событий, заявив: «Гравитационный коллапс создает видимые горизонты, но не создает горизонтов событий». В конце концов он пришел к выводу, что «отсутствие горизонтов событий означает, что не существует черных дыр – в смысле режимов, из которых свет не может уйти в бесконечность ». [3] [4]
Любой объект, приближающийся к горизонту со стороны наблюдателя, кажется замедляющимся, так и не пересекая горизонт. [5] Из-за гравитационного красного смещения его изображение со временем краснеет по мере удаления объекта от наблюдателя. [6]
В расширяющейся Вселенной скорость расширения достигает и даже превышает скорость света, что препятствует распространению сигналов в некоторые регионы. Космический горизонт событий — это настоящий горизонт событий, поскольку он влияет на все виды сигналов, включая гравитационные волны , которые движутся со скоростью света.
Более конкретные типы горизонтов включают родственные, но разные абсолютные и видимые горизонты, обнаруженные вокруг черной дыры. Другие отдельные типы включают в себя:
В космологии горизонт событий наблюдаемой Вселенной — это наибольшее сопутствующее расстояние , с которого свет, излучаемый сейчас , может когда-либо достичь наблюдателя в будущем. Это отличается от концепции горизонта частиц , которая представляет собой наибольшее сопутствующее расстояние, с которого свет, излучаемый в прошлом , мог достичь наблюдателя в данный момент. Для событий, происходящих за пределами этого расстояния, свету не хватило времени, чтобы достичь нашего местоположения, даже если он был излучен во время зарождения Вселенной. Эволюция горизонта частиц во времени зависит от характера расширения Вселенной . Если расширение имеет определенные характеристики, части Вселенной никогда не будут доступны для наблюдения, независимо от того, как долго наблюдатель ждет прихода света из этих областей. Граница, за которой события невозможно наблюдать, — это горизонт событий, и он представляет собой максимальную протяженность горизонта частиц.
Критерий определения существования горизонта частиц во Вселенной заключается в следующем. Определим сопутствующее расстояние d p как
В этом уравнении a — масштабный коэффициент , c — скорость света , а t0 — возраст Вселенной. Если d p → ∞ (т. е. точки расположены произвольно настолько далеко, насколько возможно наблюдать), то горизонта событий не существует. Если d p ≠ ∞ , горизонт присутствует.
Примерами космологических моделей без горизонта событий являются вселенные, в которых доминирует материя или излучение . Примером космологической модели с горизонтом событий является Вселенная, в которой доминирует космологическая постоянная ( вселенная де Ситтера ).
Расчет скоростей космологических событий и горизонтов частиц был дан в статье о космологической модели FLRW , аппроксимирующей Вселенную как состоящую из невзаимодействующих компонентов, каждый из которых представляет собой идеальную жидкость . [7] [8]
Если частица движется с постоянной скоростью в нерасширяющейся Вселенной, свободной от гравитационных полей, любое событие, происходящее в этой Вселенной, в конечном итоге будет наблюдаемо частицей, поскольку передние световые конусы от этих событий пересекают мировую линию частицы . С другой стороны, если частица ускоряется, в некоторых ситуациях световые конусы от некоторых событий никогда не пересекают мировую линию частицы. В этих условиях в системе отсчета (ускоряющейся) частицы присутствует видимый горизонт , представляющий границу, за которой события ненаблюдаемы.
Например, это происходит с равномерно ускоренной частицей. Пространственно -временная диаграмма этой ситуации показана на рисунке справа. По мере ускорения частица приближается, но никогда не достигает скорости света относительно своей исходной системы отсчета. На диаграмме пространства-времени его путь представляет собой гиперболу , которая асимптотически приближается к линии под углом 45 градусов (путь светового луча). Событие, край светового конуса которого находится на этой асимптоте или находится дальше этой асимптоты, никогда не может наблюдаться ускоряющейся частицей. В системе отсчета частицы за ней существует граница, за которую не могут выйти никакие сигналы (кажущийся горизонт). Расстояние до этой границы определяется выражением , где a — постоянное собственное ускорение частицы.
Хотя приближения такого типа ситуации могут возникать в реальном мире [ нужна цитация ] (например, в ускорителях частиц ), настоящий горизонт событий никогда не присутствует, поскольку для этого требуется бесконечное ускорение частицы (требующее сколь угодно больших количеств энергии). и сколь угодно большой аппарат).
В случае горизонта, воспринимаемого равномерно ускоряющимся наблюдателем в пустом пространстве, кажется, что горизонт остается на фиксированном расстоянии от наблюдателя, независимо от того, как движется его окружение. Изменение ускорения наблюдателя может привести к тому, что горизонт переместится с течением времени, или может предотвратить существование горизонта событий, в зависимости от выбранной функции ускорения. Наблюдатель никогда не касается горизонта и никогда не проходит мимо места, где он находился.
В случае горизонта, воспринимаемого обитателем деситтеровской вселенной , горизонт всегда кажется находящимся на фиксированном расстоянии для наблюдателя , не ускоряющегося . С ним никогда не контактирует даже ускоряющийся наблюдатель.
Один из самых известных примеров горизонта событий основан на описании общей теорией относительности черной дыры — небесного объекта, настолько плотного, что никакая близлежащая материя или излучение не могут покинуть его гравитационное поле . Часто это описывается как граница, внутри которой скорость убегания черной дыры превышает скорость света . Однако более подробное описание состоит в том, что внутри этого горизонта все светоподобные пути (пути, по которым может идти свет) (и, следовательно, все пути в передних световых конусах частиц внутри горизонта) искажаются, чтобы упасть дальше в дыру. Как только частица оказывается внутри горизонта, движение в дыру так же неизбежно, как движение вперед во времени – независимо от того, в каком направлении движется частица – и может рассматриваться как эквивалент этого движения, в зависимости от используемой системы координат пространства-времени. [10] [11] [12] [13]
Поверхность радиуса Шварцшильда действует как горизонт событий в невращающемся теле, которое помещается внутри этого радиуса (хотя вращающаяся черная дыра действует несколько иначе). Радиус Шварцшильда объекта пропорционален его массе. Теоретически любое количество материи станет черной дырой, если ее сжать в пространство, соответствующее ее радиусу Шварцшильда. Для массы Солнца этот радиус составляет примерно 3 километра (1,9 мили); для Земли это около 9 миллиметров (0,35 дюйма). Однако на практике ни Земля, ни Солнце не имеют необходимой массы (и, следовательно, необходимой гравитационной силы), чтобы преодолеть давление электронного и нейтронного вырождения . Минимальная масса, необходимая для коллапса звезды за пределами этого давления, представляет собой предел Толмана-Оппенгеймера-Волкова , который составляет примерно три солнечных массы.
Согласно фундаментальным моделям гравитационного коллапса [14] перед сингулярностью черной дыры формируется горизонт событий. Если все звезды Млечного Пути постепенно объединятся по направлению к центру галактики, сохраняя при этом пропорциональные расстояния друг от друга, все они попадут в общий радиус Шварцшильда задолго до того, как им придется столкнуться. [4] До коллапса в далеком будущем наблюдатели в галактике, окруженной горизонтом событий, могли бы вести свою жизнь нормально.
Горизонт событий черной дыры широко понимается неправильно. Распространенным, хотя и ошибочным, является представление о том, что черные дыры «пылесосят» материал вокруг себя, хотя на самом деле они не более способны искать материал для поглощения, чем любой другой гравитационный аттрактор. Как и любая масса во Вселенной, материя должна попасть в пределы ее гравитационного поля, чтобы иметь возможность существовать за счет захвата или консолидации с любой другой массой. Не менее распространена идея о том, что можно наблюдать падение материи в черную дыру. Это невозможно. Астрономы могут обнаружить только аккреционные диски вокруг черных дыр, где вещество движется с такой скоростью, что трение создает излучение высокой энергии, которое можно обнаружить (аналогично, часть материи из этих аккреционных дисков вытесняется вдоль оси вращения черной дыры, создавая видимые струи, когда эти потоки взаимодействуют с материей, такой как межзвездный газ, или когда они направлены прямо на Землю). Более того, удаленный наблюдатель никогда не увидит, как что-то достигает горизонта. Вместо этого, приближаясь к дыре, объект будет двигаться все медленнее, а любой излучаемый им свет будет все больше и больше смещаться в красную сторону.
Топологически горизонт событий определяется причинной структурой как нулевой конус прошлого будущей конформной времяподобной бесконечности. Горизонт событий черной дыры телеологичен по своей природе, то есть он определяется будущими причинами. [15] [16] [17] Точнее, нужно знать всю историю Вселенной и вплоть до бесконечного будущего, чтобы определить наличие горизонта событий, что невозможно для квазилокальных наблюдателей (даже в принципе). [18] [19] Другими словами, не существует эксперимента и/или измерения, которые можно было бы провести в пределах области пространства-времени конечного размера и в течение конечного интервала времени, которые бы отвечали на вопрос о том, существует или нет горизонт событий. Из-за чисто теоретической природы горизонта событий движущийся объект не обязательно испытывает странные эффекты и фактически проходит через рассчитанную границу за конечное количество своего собственного времени . [20]
Заблуждение относительно горизонтов событий, особенно горизонтов событий черных дыр , заключается в том, что они представляют собой неизменную поверхность, которая разрушает приближающиеся к ним объекты. На практике все горизонты событий кажутся расположенными на некотором расстоянии от любого наблюдателя, и объекты, направленные к горизонту событий, никогда не пересекают его с точки зрения отправляющего наблюдателя (поскольку световой конус события, пересекающего горизонт, никогда не пересекает мировую линию наблюдателя). ). Попытка заставить объект вблизи горизонта оставаться неподвижным по отношению к наблюдателю требует приложения силы, величина которой неограниченно увеличивается (становясь бесконечной) по мере приближения к нему.
В случае с горизонтом вокруг черной дыры все наблюдатели, неподвижные по отношению к удаленному объекту, договорятся о том, где находится горизонт. Хотя кажется, что это позволяет наблюдателю, опущенному к отверстию на веревке (или стержне), коснуться горизонта, на практике это невозможно. Правильное расстояние до горизонта конечно, [21] поэтому необходимая длина веревки также будет конечной, но если бы веревку опускали медленно (так, чтобы каждая точка веревки находилась примерно в покое в координатах Шварцшильда ), правильное ускорение ( сила перегрузки ), испытываемое точками веревки все ближе и ближе к горизонту, будет приближаться к бесконечности, поэтому веревка разорвется на части. Если веревку опустить быстро (возможно, даже в свободном падении ), то действительно наблюдатель внизу веревки может коснуться и даже пересечь горизонт событий. Но как только это произойдет, невозможно вытащить конец веревки обратно за горизонт событий, поскольку, если веревка натянута туго, силы вдоль веревки неограниченно возрастают по мере приближения к горизонту событий, и в какой-то момент веревка должна порваться. . При этом разрыв должен произойти не на горизонте событий, а в точке, где его может наблюдать второй наблюдатель.
Если предположить, что возможный видимый горизонт находится далеко внутри горизонта событий или его вообще нет, наблюдатели, пересекающие горизонт событий черной дыры, на самом деле не увидят и не почувствуют ничего особенного, происходящего в этот момент. С точки зрения внешнего вида наблюдатели, попавшие в дыру, воспринимают возможный видимый горизонт как черную непроницаемую область, окружающую сингулярность. [22] Другие объекты, вошедшие в область горизонта по тому же радиальному пути, но раньше, будут появляться под наблюдателем до тех пор, пока они не попадут внутрь видимого горизонта, и смогут обмениваться сообщениями. Увеличение приливных сил также является локально заметным эффектом в зависимости от массы черной дыры. В реалистичных звездных черных дырах спагеттификация происходит рано: приливные силы разрывают материалы на части задолго до горизонта событий. Однако в сверхмассивных черных дырах , которые находятся в центрах галактик, спагеттификация происходит внутри горизонта событий. Человек-астронавт сможет пережить падение за горизонт событий только в черной дыре с массой примерно 10 000 солнечных масс или больше. [23]
Космический горизонт событий обычно принимается как реальный горизонт событий, тогда как описание локального горизонта событий черной дыры, данное общей теорией относительности, оказывается неполным и противоречивым. [3] [4] Когда условия, при которых возникают локальные горизонты событий, моделируются с использованием более полной картины того, как работает Вселенная, которая включает в себя как теорию относительности, так и квантовую механику , ожидается, что локальные горизонты событий будут иметь свойства, отличные от тех, которые предсказано с использованием только общей теории относительности.
В настоящее время, согласно механизму излучения Хокинга , основное воздействие квантовых эффектов заключается в том, что горизонты событий обладают температурой и , таким образом, излучают излучение. Для черных дыр это проявляется как излучение Хокинга , и более широкий вопрос о том, как черная дыра обладает температурой, является частью темы термодинамики черных дыр . Для ускоряющихся частиц это проявляется как эффект Унру , из-за которого пространство вокруг частицы кажется заполненным материей и излучением.
Согласно спорной гипотезе о брандмауэре черной дыры , материя, падающая в черную дыру, будет сожжена дотла высокоэнергетическим «брандмауэром» на горизонте событий.
Альтернативу обеспечивает принцип дополнительности , согласно которому в карте дальнего наблюдателя падающее вещество термализуется на горизонте и переизлучается в виде излучения Хокинга, в то время как в карте падающего наблюдателя вещество продолжает невозмущенно проходить через внутреннюю область и разрушается в сингулярности. Эта гипотеза не нарушает теорему о запрете клонирования, поскольку, по мнению любого наблюдателя, существует единственная копия информации. Комплементарность черных дыр фактически предполагается законами масштабирования струн , приближающихся к горизонту событий, предполагая, что в диаграмме Шварцшильда они растягиваются, чтобы покрыть горизонт, и термализуются в мембрану толщиной с планковскую длину .
Ожидается, что полное описание локальных горизонтов событий, порожденных гравитацией, как минимум, потребует теории квантовой гравитации . Одной из таких теорий-кандидатов является М-теория . Другая такая теория-кандидат — петлевая квантовая гравитация .
