Горизонт событий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Общая теория относительности
Гравитация
Математическая формулировка
Космология
См. также: Портал:Физика

Горизо́нт собы́тий — воображаемая граница в пространстве-времени, разделяющая те события (точки пространства-времени), которые можно соединить с событиями на светоподобной (изотропной) бесконечности светоподобными геодезическими линиями (траекториями световых лучей), и те события, которые так соединить нельзя. Так как обычно светоподобных бесконечностей у данного пространства-времени две: относящаяся к прошлому и будущему, то и горизонтов событий может быть два: горизонт событий прошлого и горизонт событий будущего. Упрощённо можно сказать, что горизонт событий прошлого разделяет события на изменяемые с бесконечности и на неизменяемые; а горизонт событий будущего отделяет события, о которых можно что-либо узнать, хотя бы в бесконечно отдалённой перспективе, от событий, о которых узнать ничего нельзя.

Горизонт событий обычно является трёхмерной гиперповерхностью. Необходимым и достаточным условием его существования является пространственноподобность хотя бы части светоподобной (изотропной) бесконечности. Следует отметить, что горизонт событий — понятие интегральное и нелокальное, так как в его определении участвует светоподобная бесконечность, то есть все бесконечно удалённые области пространства-времени. Поэтому в своей непосредственной окрестности горизонт событий ничем не выделен, что представляет проблему при численных расчётах в общей теории относительности. Для решения этой проблемы предложены некоторые близкие по свойствам к горизонту событий, но локально определяемые понятия: динамический горизонт, ловушечная поверхность и кажущийся горизонт (англ. apparent horizon).

Существует также понятие горизонта событий отдельного наблюдателя. Он разделяет между собой события, которые можно соединить с мировой линией наблюдателя светоподобными (изотропными) геодезическими линиями, направленными соответственно в будущее — горизонт событий прошлого, и в прошлое — горизонт событий будущего, и события, с которыми этого сделать нельзя. Например, постоянно равномерно ускоренный наблюдатель в пространстве Минковского имеет свои горизонты прошлого и будущего (см. горизонт Риндлера).

Горизонт событий чёрной дыры[править | править код]

BH-no-escape-1.svg
Вдали от чёрной дыры частицы могут двигаться в любом направлении. Они ограничены только скоростью света.
BH-no-escape-2.svg
Ближе к чёрной дыре пространство-время начинает деформироваться. В некоторых системах координат путей, идущих к чёрной дыре, больше, чем путей, идущих от чёрной дыры.[Note 1]
BH-no-escape-3.svg
Внутри горизонта событий все пути ведут частицы в центр чёрной дыры. Не существует способа для частиц выйти из чёрной дыры.

Горизонт событий будущего является необходимым признаком чёрной дыры как научно подтверждённого объекта. Горизонт событий сферически-симметричной чёрной дыры называется сферой Шварцшильда и имеет характерный размер, называемый гравитационным радиусом.

Находясь под горизонтом событий, любое тело будет двигаться только внутри чёрной дыры и не сможет вернуться обратно во внешнее пространство. C точки зрения наблюдателя, свободно падающего в чёрную дыру, свет может свободно распространяться как по направлению к чёрной дыре, так и от неё. Однако после пересечения горизонта событий даже свет, распространяющийся от наблюдателя наружу, никогда не сможет выйти за пределы горизонта. Предмет, попавший внутрь горизонта событий, в конце концов, вероятно, попадает в сингулярность, а перед этим разрывается вследствие высокого градиента силы притяжения чёрной дыры (приливных сил).

Энергия, возможно, может покидать чёрную дыру посредством т. н. излучения Хокинга, представляющего собой квантовый эффект. Если так, истинные горизонты событий в строгом смысле у сколлапсировавших объектов в нашей Вселенной не формируются. Тем не менее, так как астрофизические сколлапсировавшие объекты — это очень классические системы, то точность их описания классической моделью чёрной дыры достаточна для всех мыслимых астрофизических приложений[2].

О горизонте событий чёрной дыры есть широко распространенное заблуждение. Частым, хотя и ошибочным, является представление о том, что черные дыры «всасывают» материю из окрестностей, тогда как на самом деле они способны искать материю для поглощения не более, чем любое другое гравитирующее тело. Как и любая масса во Вселенной, материя должна входить в область её гравитации для возможности захвата или консолидации с любой другой массой. Не менее распространена идея о том, что материя может наблюдаться в чёрной дыре. Это не так. Астрономы могут обнаруживать только аккреционный диск вокруг чёрной дыры, где материя движется с такой скоростью, что трение создает высокоэнергетическое излучение, которое можно обнаружить (также некоторая материя вытесняется из этих аккреционных дисков по осям вращения чёрной дыры, создавая видимые струи во время взаимодействия с таким веществом, как межзвездный газ, или когда они оказываются нацелены непосредственно на Землю). Более того, удаленый наблюдатель никогда не увидит, что что-то достигнет горизонта. Вместо этого, приближаясь к дыре, объект будет казаться медленнее, в то время как любой свет, который он излучает, будет все более и более красным.

Кажущийся горизонт ускоренной частицы[править | править код]

Пространственно-временная диаграмма, показывающая равномерно ускоренную частицу, P и событие E, которое находится за пределами кажущегося горизонта частицы. Верхняя часть светового конуса события E никогда не пересекается с мировой линией частицы.

Если частица движется с постоянной скоростью в нерасширяющейся вселенной, свободной от гравитационных полей, то любое событие, которое происходит в этой Вселенной, в конечном счете будет наблюдаться частицей, поскольку световой конус будущего от этих событий пересекает мировую линию частицы. С другой стороны, если частица ускоряется, то в некоторых ситуациях световые конусы от части событий никогда не пересекают мировую линию частицы. В этих условиях в системе отсчета ускоряющейся частицы присутствует кажущийся горизонт (англ.), представляющий собой границу, за которой события ненаблюдаемы.

Пространственно-временная диаграмма этой ситуации показана на рисунке справа. По мере ускорения частицы она приближается, но никогда не достигает скорости света относительно своей исходной системы отсчета. На диаграмме пространства-времени её путь — это гипербола, которая асимптотически приближается к линии 45 градусов (путь светового луча). Событие, границей светового конуса которого является эта асимптота, или любое событие за этой границей, никогда не может наблюдаться ускоряющейся частицей. В системе отсчета частицы есть граница, из за которой не могут выйти никакие сигналы (кажущийся горизонт).

Хотя приближения такого типа могут возникать в реальном мире (например, в ускорителе частиц), реальный горизонт событий такого типа не существует, так как это требует частицу, которая должна ускоряться неограниченно долго (требуя бесконечного количества энергии).

Другие примеры горизонтов событий[править | править код]

Взаимодействие с горизонтом событий[править | править код]

Неправильное представление о горизонтах событий, особенно о горизонтах черной дыры, заключается в том, что они представляют собой незыблемую поверхность, которая разрушает приближающиеся объекты. На практике все горизонты событий находтся на некотором расстоянии от наблюдателя, и объекты, направленные к горизонту событий, никогда не пересекают его с точки зрения отправляющего наблюдателя (поскольку световой конус события пересечения горизонта никогда не пересекается с мировой линией наблюдателя). Попытка удержать объект вблизи горизонта в неподвижном относительно наблюдателя состоянии, требует применения огромных силы. Чем ближе к горизонту, тем больше требуется величина такой силы, которая в пределе неограниченно растет (становится бесконечной).

Для случая горизонта, воспринимаемого равномерно ускоряющимся наблюдателем в пустом пространстве, горизонт, остается на фиксированном расстоянии от наблюдателя независимо от того, как движется окружение. Изменение ускорения наблюдателя может привести к тому, что горизонт будет смещаться со временем, или может помешать существованию горизонта событий, в зависимости от выбранной функции ускорения. Наблюдатель никогда не прикасается к горизонту и никогда не пересекает его.

Для случая горизонта, воспринимаемого обитателем вселенной де Ситтера, горизонт находится на фиксированном расстоянии от инерциального наблюдателя. С ним никогда не контактирует даже ускоряющий наблюдатель.

Для случая горизонта вокруг чёрной дыры, наблюдатели, неподвижные относительно отдаленного объекта, будут согласны по поводу местоположения горизонта. Хотя это, по-видимому, позволяет наблюдателю опуститься к чёрной дыре на веревке (или стержне) прямо до горизонта, на практике это невозможно. Собственное расстояние до горизонта конечно[3], поэтому длина требуемой веревки также была бы конечной, но если веревку опускать медленно (так что бы каждая точка веревки была примерно в покое в координатах Шварцшильда), собственное ускорение (перегрузка), испытываемое точками на веревке, которые находятся близко к горизонту, приближается к бесконечности, поэтому веревка разорвется. Если веревку опускать быстро (возможно, даже в свободном падении), то действительно наблюдатель на конце каната может коснуться и даже пересечь горизонт событий. Но как только это произойдет, невозможно вытащить конец веревки из за горизонта событий, поскольку, если веревку натянуть, силы вдоль веревки увеличиваются неограниченно по мере приближения к горизонту событий, и в какой-то момент веревка должна порваться. Кроме того, разрыв должен происходить не на горизонте событий, а в точке, где второй наблюдатель может этот разрыв наблюдать.

Наблюдатели, пересекающие горизонт событий чёрной дыры, могут рассчитать момент, когда они пересекли его, но не видят и не ощущают в этом момент ничего особенного. С точки зрения внешнего вида, наблюдатели, падающие в чёрную дыру, воспринимают чёрную область, составляющую горизонт, лежащую на некотором видимом расстоянии ниже них, и никогда не испытывают пересечения этого визуального горизонта.[4] Другие объекты, которые вошли в горизонт вдоль того же радиального пути, но в более раннее время, появились бы ниже наблюдателя, но все же над визуальным положением горизонта, и если бы они упали совсем недавно, наблюдатель мог бы обмениваться сообщениями с ними до того, как один из них будет разрушен гравитационной сингулярностью.[5] Увеличение приливной силы (и возможное влияние сингулярности чёрной дыры) являются единственно локально заметными эффектами. Приливные силы являются функцией массы чёрной дыры. В реалистичной чёрной дыре звёздной массы рано происходит спагеттификация: приливные силы разрывают материю ещё до достижения горизонта событий. Однако в сверхмассивной чёрной дыре, какие находятся в центрах галактик, происходит спагеттификация внутри горизонта событий. Космонавт пережил бы падение через горизонт событий только в чёрной дыре с массой около 10 000 солнечных масс или больше.[6]

См. также[править | править код]

Комментарии[править | править код]

  1. Множество возможных путей или, если точнее, светового конуса будущего, содержащего все возможные мировые линии (на этой диаграмме, представленной желтой и синей сетками), имеют данный наклон в координатах Эддингтона-Финкельштейна (англ.) (диаграмма представляет собой «мультяшную» версию диаграммы Эддингтона-Финкельштейна). В других координатах световые конусы наклонены другим образом, например, в координатах Шварцшильда они просто сужаются без наклона по мере приближения к горизонту событий, а в координатах Крускала светлые конусы вообще не меняют форму или ориентацию.[1]

Примечания[править | править код]

  1. Misner, Thorne & Wheeler (1973), p. 848.
  2. Сергей Попов. Экстравагантные консерваторы и консервативные эксцентрики // Троицкий Вариант : газета. — 27 октября 2009. — Вып. 21 (40N). — С. 6—7.
  3. Misner, Thorne & Wheeler (1973), p. 824.
  4. Journey into a Schwarzschild black hole. jila.colorado.edu.
  5. Dive into the Black Hole. casa.colorado.edu.
  6. Hobson, Michael Paul. 11. Schwarzschild black holes // General Relativity: An introduction for physicists / Michael Paul Hobson, Efstathiou, Lasenby. — Cambridge University Press, 2006. — P. 265. — ISBN 0-521-82951-8.

Литература[править | править код]