Горизонт событий

Часть цикла статей о
Общая теория относительности
${\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={\frac {8\pi G}{c^{4}}}T_{\mu \nu }}$
Вступление История Математическая формулировка Тесты
Основные концепции Принцип относительности Теория относительности Одновременность Относительность одновременности Относительное движение Мероприятие Точка зрения Инерциальная система отсчета Масса Инертная масса Рама отдыха Рамка центра импульса Кривизна Геодезический Принцип эквивалентности Масса в общей теории относительности Эквивалентность массы и энергии Инвариантный Инвариантная масса Симметрии пространства-времени Специальная теория относительности Двойная специальная теория относительности инвариант де Ситтера специальная теория относительности Масштаб относительности Скорость света Производная по времени Подходящее время Правильная длина Уменьшение длины Действия на расстоянии Принцип локальности Риманова геометрия Энергетическое состояние
Явления Гравитоэлектромагнетизм Проблема Кеплера Сила тяжести Гравитационное поле Гравитационный колодец Гравитационное линзирование Гравитационные волны Гравитационное красное смещение Красное смещение Синее смещение Замедление времени Гравитационное замедление времени Задержка Шапиро Гравитационный потенциал Гравитационное сжатие Гравитационный коллапс Перетаскивание кадра Геодезический эффект Видимый горизонт Горизонт событий Гравитационная сингулярность Обнаженная особенность Черная дыра Белая дыра Пространство-время Стрела времени Световой конус Мировая линия Трехмерное пространство Четырехмерное пространство Космос Время Многообразие Гладкий коллектор Риманово многообразие Гильбертово пространство Евклидово пространство Топологическое пространство Топологический дефект Диаграммы пространства-времени Пространство-время Минковского Скаляр Лоренца Замкнутая временная кривая (CTC) Червоточина Червоточина Эллиса
Уравнения Формализмы Уравнения Линеаризованная гравитация Уравнения поля Эйнштейна Фридман Геодезические Матиссон – Папапетру – Диксон Гамильтон – Якоби – Эйнштейн Инвариант кривизны (общая теория относительности) Преобразование Лоренца Лоренцево многообразие Глобально гиперболическое многообразие Условия причинности Причинная структура Формализмы ADM БССН Ньюман – Пенроуз Постньютоновский Продвинутая теория Теория Бранса – Дике Гипотеза космической цензуры Теория Калуцы – Клейна Квантовая гравитация Супергравитация
Решения Релятивистский диск Шварцшильд ( интерьер ) Рейсснер-Нордстрём Гёдель Керр Керр – Ньюман Kasner Лемэтр – Толман Тауб-ОРЕХ Milne Робертсон – Уокер pp-волна van Stockum пыль Вейль – Льюис – Папапетру Вакуумный раствор
Теоремы Теорема Биркгофа Теорема Героха о расщеплении Теорема Гольдберга – Сакса. Теорема Лавлока Теорема об отсутствии волос Теоремы Пенроуза – Хокинга об особенностях Теорема положительной энергии
Ученые Эйнштейн Лоренц Гильберта Пуанкаре Шварцшильд де Ситтер Рейсснер Nordström Weyl Эддингтон Фридман Milne Цвикки Лемэтр Гёдель Уиллер Робертсон Бардин Уокер Керр Чандрасекхар Элерс Пенроуз Хокинг Райчаудхури Тейлор Hulse van Stockum Тауб Новичок Яу Торн другие
v т е

В астрофизике горизонт событий - это граница, за которой события не могут повлиять на наблюдателя. Этот термин был придуман Вольфгангом Риндлером . ^[1]

В 1784 году Джон Мичелл предположил, что вблизи компактных массивных объектов гравитация может быть настолько сильной, что даже свет не может уйти. В то время доминировали ньютоновская теория гравитации и так называемая корпускулярная теория света . Согласно этим теориям, если космическая скорость объекта превышает скорость света, то свет, исходящий изнутри или из него, может временно ускользнуть, но вернется. В 1958 году Дэвид Финкельштейн использовал общую теорию относительности, чтобы ввести более строгое определение локального горизонта событий черной дыры как границы, за которой события любого рода не могут повлиять на внешнего наблюдателя. Это привело к информации и брандмауэрупарадоксы, которые побудили пересмотреть концепцию локальных горизонтов событий и понятие черных дыр. Впоследствии было разработано несколько теорий, некоторые с горизонтом событий, а некоторые без него. Стивен Хокинг , который был одним из ведущих разработчиков теорий для описания черных дыр, предложил использовать видимый горизонт вместо горизонта событий, заявив, что «гравитационный коллапс создает видимые горизонты, но не горизонты событий». В конце концов он пришел к выводу, что «отсутствие горизонтов событий означает, что нет черных дыр - в смысле режимов, из которых свет не может уйти в бесконечность». ^{[2] [3]}Это не означает отрицания существования черных дыр, это просто выражает недоверие к общепринятому строгому определению горизонта событий . ^{[ необходима цитата ]}

Любой объект, приближающийся к горизонту со стороны наблюдателя, кажется, замедляется и никогда не пересекает горизонт. ^[4] Из-за гравитационного красного смещения его изображение со временем краснеет по мере удаления объекта от наблюдателя. ^[5]

В расширяющейся Вселенной скорость расширения достигает и даже превышает скорость света, что препятствует передаче сигналов в некоторые регионы. Космический горизонт событий является реальным горизонтом событий , так как она влияет на все виды сигналов, в том числе гравитационных волн , которые движутся со скоростью света.

Более конкретные типы горизонтов включают связанные, но различные абсолютные и видимые горизонты, обнаруженные вокруг черной дыры. Другие отдельные типы включают горизонты Коши и Киллинга ; в фотонных сфер и ergospheres этого решения Керра ; частицы и космологические горизонты, относящиеся к космологии ; и изолированы и динамические горизонты важно в современных исследованиях черных дыр.

Космический горизонт событий [ править ]

В космологии горизонт событий наблюдаемой Вселенной - это самое большое сопутствующее расстояние, с которого излучаемый сейчас свет может когда-либо достичь наблюдателя в будущем. Это отличается от концепции горизонта частиц , который представляет собой наибольшее сопутствующее расстояние, с которого свет, излучаемый в прошлом, мог достичь наблюдателя в данный момент. Что касается событий, происходящих за пределами этого расстояния, свету не хватило времени, чтобы достичь нашего местоположения, даже если он был испущен в момент возникновения Вселенной. Эволюция горизонта частиц со временем зависит от характера расширения Вселенной.. Если расширение имеет определенные характеристики, части Вселенной никогда не будут наблюдаться, независимо от того, как долго наблюдатель ждет прихода света из этих регионов. Граница, за которой невозможно наблюдать события, - это горизонт событий, и он представляет собой максимальную протяженность горизонта частиц.

Критерий для определения того, существует ли горизонт частиц для Вселенной, следующий. Определим сопутствующее расстояние d _p как

${\displaystyle d_{p}=\int _{0}^{t_{0}}{\frac {c}{a(t)}}\,dt.}$

В этом уравнении a - масштабный коэффициент , c - скорость света , а t ₀ - возраст Вселенной. Если d _p → ∞ (т. Е. Точки произвольно удалены, насколько это возможно для наблюдения), то горизонт событий не существует. Если d _p ≠ ∞ , горизонт присутствует.

Примерами космологических моделей без горизонта событий являются вселенные, в которых преобладает материя или радиация . Примером космологической модели с горизонтом событий является вселенная, в которой доминирует космологическая постоянная ( вселенная де Ситтера ).

Расчет скоростей космологического события и горизонтов частиц был дан в статье о космологической модели FLRW , в которой Вселенная аппроксимируется как состоящая из невзаимодействующих компонентов, каждая из которых представляет собой идеальную жидкость . ^{[6] [7]}

Видимый горизонт ускоренной частицы [ править ]

Если частица движется с постоянной скоростью в нерасширяющейся Вселенной, свободной от гравитационных полей, любое событие, которое происходит в этой Вселенной, в конечном итоге будет наблюдаться этой частицей, потому что передние световые конусы 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 видимый горизонт присутствует в (ускоряющейся) системе отсчета частицы, представляя границу, за которой события не наблюдаются.

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 является этой асимптотой или находится дальше, чем эта асимптота, никогда не может наблюдаться ускоряющейся частицей. В системе отсчета частицы за ней есть граница, за которой никакие сигналы не могут выйти (видимый горизонт). Расстояние до этой границы определяется как где${\displaystyle c^{2}/a}$${\displaystyle a}$- постоянное собственное ускорение частицы.

Хотя приближения такого типа ситуаций могут иметь место в реальном мире ^{[ необходима цитата ]} (например, в ускорителях частиц ), истинный горизонт событий никогда не присутствует, так как это требует, чтобы частица ускорялась бесконечно (требуя сколь угодно большого количества энергии и сколь угодно большой аппарат).

Взаимодействие с космическим горизонтом [ править ]

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 будет казаться движущимся во времени, или может помешать существованию горизонта событий, в зависимости от выбранной функции ускорения. Наблюдатель никогда не касается горизонта и никогда не проходит там, где он казался.

В случае горизонта, воспринимаемого обитателем вселенной де Ситтера , горизонт всегда кажется фиксированным расстоянием для неускоряющегося наблюдателя. Он никогда не контактирует даже с ускоряющимся наблюдателем.

Горизонт событий черной дыры [ править ]

Один из наиболее известных примеров горизонта событий происходит из описания общей теорией относительности черной дыры, небесного объекта, настолько плотного, что никакое соседнее вещество или излучение не может выйти из его гравитационного поля . Часто это описывается как граница, в пределах которой убегающая скорость черной дыры превышает скорость света . Однако более подробное описание заключается в том, что в пределах этого горизонта все светоподобные пути (пути, по которым может проходить свет) и, следовательно, все пути в передних световых конусахчастиц в пределах горизонта искривляются, чтобы упасть дальше в яму. Как только частица оказывается внутри горизонта, движение в дыру так же неизбежно, как и движение вперед во времени - независимо от того, в каком направлении движется частица, и может фактически рассматриваться как эквивалент этого движения, в зависимости от используемой системы координат пространства-времени. ^{[9] [10] [11] [12]}

Поверхность в радиусе Шварцшильда действует как горизонт событий в невращающемся теле, которое помещается внутри этого радиуса (хотя вращающаяся черная дыра работает несколько иначе). Радиус Шварцшильда объекта пропорционален его массе. Теоретически любое количество материи станет черной дырой, если ее сжать в пространство, которое вписывается в соответствующий радиус Шварцшильда. Для массы Солнца этот радиус составляет примерно 3 километра, а для Земли - около 9 миллиметров. Однако на практике ни Земля, ни Солнце не обладают необходимой массой и, следовательно, необходимой гравитационной силой, чтобы преодолеть давление вырождения электронов и нейтронов.. Минимальная масса, необходимая для того, чтобы звезда могла коллапсировать за пределами этих давлений, соответствует пределу Толмена – Оппенгеймера – Волкова , который составляет примерно три массы Солнца.

Согласно фундаментальным моделям гравитационного коллапса ^[13] горизонт событий формируется перед сингулярностью черной дыры. Если все звезды в Млечном Пути будут постепенно сгруппироваться к центру Галактики, сохраняя при этом пропорциональные расстояния друг от друга, все они попадут в свой общий радиус Шварцшильда задолго до того, как им придется столкнуться. ^[3] Вплоть до коллапса в далеком будущем наблюдатели в галактике, окруженной горизонтом событий, будут жить нормально.

Горизонты событий черной дыры понимаются неправильно. Распространенным, хотя и ошибочным, является представление о том, что черные дыры «вакуумируют» материал в своем районе, где на самом деле они не более способны искать материал для потребления, чем любой другой гравитационный аттрактор. Как и любая масса во Вселенной, материя должна находиться в пределах ее гравитационного поля, чтобы существовала возможность захвата или объединения с любой другой массой. Столь же распространена идея о том, что можно наблюдать падение материи в черную дыру. Это невозможно. Астрономы могут обнаружить только аккреционные дискивокруг черных дыр, где материал движется с такой скоростью, что трение создает высокоэнергетическое излучение, которое может быть обнаружено (аналогично, некоторая материя из этих аккреционных дисков вытесняется вдоль оси вращения черной дыры, создавая видимые струи, когда эти потоки взаимодействуют с такими веществами, как межзвездный газ, или когда они нацелены прямо на Землю). Более того, далекий наблюдатель никогда не увидит, как что-то достигает горизонта. Вместо этого, приближаясь к отверстию, объект будет казаться все медленнее, а любой излучаемый им свет будет все больше и больше сдвигаться в красную сторону.

Горизонт событий черной дыры телеологичен по своей природе, а это означает, что нам нужно знать все будущее пространство-время Вселенной, чтобы определить текущее положение горизонта, что по сути невозможно. Из-за чисто теоретической природы границы горизонта событий движущийся объект не обязательно испытывает странные эффекты и, фактически, проходит через расчетную границу за конечный промежуток времени . ^[14]

Взаимодействие с горизонтами черной дыры [ править ]

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 кажется, что все горизонты событий находятся на некотором расстоянии от любого наблюдателя, а объекты, направленные к горизонту событий, никогда не кажутся пересекающими его с точки зрения отправляющего наблюдателя (поскольку световой конус события пересечения горизонта никогда не пересекает мировую линию наблюдателя. ). Попытка заставить объект около горизонта оставаться неподвижным по отношению к наблюдателю требует приложения силы, величина которой неограниченно увеличивается (становится бесконечной) по мере приближения.

В случае горизонта вокруг черной дыры все наблюдатели, неподвижные по отношению к удаленному объекту, согласятся, где находится горизонт. Хотя это, кажется, позволяет наблюдателю, опущенному к отверстию на веревке (или стержне), контактировать с горизонтом, на практике это невозможно. Надлежащее расстояние до горизонта конечно, ^[15] , так что длина веревки , необходимой будет конечные , а также, но если веревка была понижена медленно (так , что каждая точка на веревке была приблизительно в состоянии покоя в координатах Шварцшильда ), то правильная ускорение ( G-сила ), испытываемое точками на веревке все ближе и ближе к горизонту, приближается к бесконечности, поэтому веревка разрывается. Если веревку опустить быстро (возможно, даже всвободное падение ), то действительно, наблюдатель внизу веревки может коснуться и даже пересечь горизонт событий. Но как только это произойдет, невозможно вытянуть нижнюю часть веревки за горизонт событий, поскольку, если веревка натянута туго, силы вдоль веревки неограниченно увеличиваются по мере приближения к горизонту событий, и в какой-то момент веревка должна порваться. . Более того, разрыв должен происходить не на горизонте событий, а в точке, где второй наблюдатель может его наблюдать.

Если предположить, что возможный горизонт событий находится далеко внутри горизонта событий или его нет, наблюдатели, пересекающие горизонт событий черной дыры, на самом деле не увидят и не почувствуют, что в этот момент происходит что-то особенное. С точки зрения внешнего вида, наблюдатели, которые падают в дыру, воспринимают возможный видимый горизонт как черную непроницаемую область, ограничивающую сингулярность. ^[16] Другие объекты, которые вошли в область горизонта по той же радиальной траектории, но в более раннее время, будут появляться под наблюдателем, если они не входят в видимый горизонт, и они могут обмениваться сообщениями. Возрастающие приливные силы также являются локально заметным эффектом в зависимости от массы черной дыры. В реалистичных звездных черных дырах ,спагеттификация происходит рано: приливные силы разрывают материалы задолго до горизонта событий. Однако в сверхмассивных черных дырах , которые находятся в центрах галактик, спагеттификация происходит внутри горизонта событий. Человек-космонавт переживет падение через горизонт событий только в черной дыре с массой примерно 10 000 солнечных масс или больше. ^[17]

За пределами общей теории относительности [ править ]

Космический горизонт событий обычно считается реальным горизонтом событий, тогда как описание локального горизонта событий черной дыры, данное общей теорией относительности, оказывается неполным и противоречивым. ^{[2] [3]} Когда условия, при которых возникают локальные горизонты событий, моделируются с использованием более полной картины того, как работает Вселенная, которая включает как относительность, так и квантовую механику , ожидается, что локальные горизонты событий будут иметь свойства, отличные от тех предсказано с использованием только общей теории относительности.

В настоящее время механизм излучения Хокинга предполагает, что основное воздействие квантовых эффектов заключается в том, что горизонты событий обладают температурой и, таким образом, испускают излучение. Для черных дыр это проявляется как излучение Хокинга , и более широкий вопрос о том, как черная дыра обладает температурой, является частью темы термодинамики черной дыры . Для ускоряющихся частиц это проявляется как эффект Унру , при котором пространство вокруг частицы кажется заполненным материей и излучением.

По спорной черной дыре брандмауэра гипотезы, материи падает в черную дыру , будет сожжено дотла высокой энергией «брандмауэр» на горизонте событий.

Альтернативой является принцип дополнительности , согласно которому на карте дальнего наблюдателя падающая материя термализуется на горизонте и переизлучается как излучение Хокинга, в то время как на карте падающего наблюдателя материя продолжает оставаться невозмущенной через внутреннюю область и разрушается в сингулярности. Эта гипотеза не нарушает теорему о запрете клонирования, поскольку существует единственная копия информации согласно любому данному наблюдателю. Комплементарность черных дыр фактически подтверждается законами масштабирования струн, приближающихся к горизонту событий, предполагая, что в диаграмме Шварцшильда они растягиваются, чтобы покрыть горизонт, и термализуются в мембрану толщиной Планка .

Ожидается, что полное описание локальных горизонтов событий, порождаемых гравитацией, как минимум потребует теории квантовой гравитации . Одна из таких кандидатских теорий - М-теория . Другой такой кандидат теории - петлевая квантовая гравитация .

См. Также [ править ]

• Сила Абрахама – Лоренца
• Акустическая метрика
• За пределами черных дыр
• Электрон черной дыры
• Звездолет черной дыры
• Гипотеза космической цензуры
• Динамический горизонт
• Телескоп горизонта событий
• Радиация Хокинга
• Кугельблиц (астрофизика)
• Микро черная дыра
• Координаты Риндлера

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Вселенная в двух словах , Стивен Хокинг
• Торн, Кип (1994). Черные дыры и искажения времени . WW Нортон.
• Абхай Аштекар и Бадри Кришнан, «Изолированные и динамические горизонты и их приложения», Living Rev. Relativity, 7, (2004), 10; Интернет-статья, процитировано в феврале 2009 г.