Что таоке горизонт событий
20 удивительных фактов о горизонте событий, которые вы должны знать
Мы кратко говорили о горизонте событий в нашем списке фактов о «черных дырах». Настало время провести детальное обсуждение горизонта событий и понять, что это такое и почему это так важно. Итак, вот 20 удивительных фактов о горизонте событий, отобранных и упрощенных для вас.
№6. Горизонты событий в основном встречаются вокруг черных дыр.
№7. Даже если свет испускается внутри границы, он не может избежать огромного гравитационного притяжения и, следовательно, он не может достичь наблюдателя, расположенного за пределами границы.
№8. Поскольку свет не может покинуть горизонт событий, черные дыры буквально невидимы для человеческого глаза.
№9. Если смотреть с другой стороны, если что-то приближается к горизонту событий за пределами границы (сторона, где находится наблюдатель), то оно постепенно замедляется, и этот объект никогда не пройдет через горизонт.
№10. Когда что-то приближается к горизонту событий, его изображение постепенно смещается с каждым мгновением.
№12. Итак, что вызывает красное смещение, когда что-то приближается к горизонту событий? Когда мы наблюдаем красное смещение, это означает, что свет от объекта возвращается к нам. Это возможно до тех пор, пока объект фактически не войдет в Горизонт Событий, где свет не может выйти. Прежде чем объект войдет в горизонт событий, фотоны в свете, испускаемом объектом, попытаются избежать огромной гравитации.
Это означает, что фотонам придется работать больше, чтобы убежать. Чем больше работы они делают, тем больше энергии они теряют. Другими словами, фотоны должны будут выпустить немного энергии, чтобы вырваться из гравитации. Теперь частота фотонов прямо пропорциональна их энергии.
Итак, если энергия фотона падает, его частота падает. Падение частоты означает увеличение длины волны. Это объясняет, почему объект становится красным по мере приближения к горизонту событий. Это называется гравитационным красным смещением, предсказанным теорией общей теории относительности Эйнштейна.
№13. Итак, почему объект замедляется при приближении к горизонту событий? Это происходит из-за гравитационного замедления времени. Мы объясним гравитационное замедление времени в другом списке.
№14. Забавная вещь в Горизонте Событий состоит в том, что даже если человек, расположенный на безопасном расстоянии от Горизонта Событий, испытывает или наблюдает красное смещение и гравитационное замедление времени, объект, который фактически приближается к границе, не будет испытывать ничего странного. Он не будет испытывать красное смещение или замедление времени и пройдет через горизонт событий в конечном количестве того, что известно как «надлежащее время».
№16. Поскольку объект, приближающийся к горизонту событий, даже не увидит ничего странного, он даже не узнает, что на самом деле приближается к горизонту событий, потому что эта граница не является чем-то физическим. Это только мнимая граница, основанная на математических расчетах.
№17. Только после того, как объект входит в горизонт событий, он может испытывать изменения. Как? Все попытки вернуться на самом деле потерпят неудачу.
№18. Горизонты событий черных дыр порождают явление, известное как спагеттификация или эффект лапши. Это явление, при котором объект, попадающий в горизонт событий, будет растягиваться вертикально и сжиматься в боковом направлении до тех пор, пока он не примет форму спагетти или лапши. Это происходит из-за огромных приливных сил, которые существуют в горизонте событий и вызваны огромным гравитационным притяжением сингулярности.
№20. В случае сверхмассивных черных дыр точка сингулярности находится далеко от горизонта событий, и поэтому приливные силы не существуют вне горизонта событий. Таким образом, спагеттификация не произойдет, пока объект не войдет в горизонт событий. Итак, можно сделать вывод, что удаленный наблюдатель действительно увидит объект, спагетизированный до того, как он исчезнет, если приблизится к маленькой черной дыре. Наблюдатель вообще не сможет увидеть спагеттификацию, если объект приблизится к сверхмассивной черной дыре.
Что такое горизонт событий, или как вырваться из черной дыры
Elena Foer
Изучением черных дыр всерьез физики занялись не так давно — хотя сама концепция их существования появилась еще в позапрошлом веке. Но идея присутствия где-то в космосе таких объектов казалась настолько фантастической и недоказуемой, что практически не рассматривалась всерьез. В новом выпуске рубрики «Просто о сложном» — рассказ об истории открытия «застывших звезд» и о том, что происходит с пространством и временем на границах черной дыры.
Долгая история неверия
В 1783 году священник из английской деревни Торнхилл Джон Митчелл представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью. В ней он писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет уйти от нее далеко — он будет затянут обратно за счет гравитационного притяжения. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но увидеть их невозможно — так как их свет поглощается ими же. Тем не менее теоретически их гравитационное притяжение можно обнаружить. Статья не вызвала ажиотажа в научном сообществе и прошла практически незамеченной.
Спустя несколько лет французский ученый Пьер-Симон Лаплас, незнакомый с работой Митчелла, выдвинул схожую гипотезу. Он опубликовал ее в своем труде «Система мира», однако после второго издания теория из книги исчезла — по всей видимости, Лаплас решил, что о такой дурацкой идее и говорить не стоит.
Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды.
А вот в XIX веке ученым уже не могла прийти в голову мысль о невидимых звездах. Все дело в том, что ньютоновское убеждение относительно того, что свет состоит из частиц, вышло из моды. Ученые пришли к выводу, что концепция, согласно которой свет — это волна, лучше описывает явления окружающего мира. О том, как гравитация действует на волны, ничего известно не было, стало быть, и рассуждения о небесных объектах, «затягивающих» собственный свет, пришлось забыть.
Вновь вспомнили о них только в XX веке. В 1916 году, практически сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд описал «застывшую звезду», как тогда называли такие объекты, не рассматривая процесс ее зарождения, а в 1939 этот недостающий элемент в теорию добавили Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер. И только 1969 году американский физик Джон Уилер придумал термин «черная дыра» (Уилер вообще был романтиком, и второй придуманный им термин, «кротовая нора», еще более любим фантастами).
Загробная жизнь звезды
Жизненный цикл звезды чем-то похож на человеческий — она рождается и умирает. Вначале огромное облако газа (преимущественно водорода) в космосе начинает сжиматься под воздействием собственной гравитации, его молекулы все чаще сталкиваются друг с другом, и их скорости увеличиваются. Газ разогревается, и при определенной температуре возникает реакция термоядерного синтеза, в результате которой образуется гелий. В ходе реакции выделяется тепло и излучается свет. Так возникает звезда. Тепло создает дополнительное давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда перестает сжиматься — в стабильном состоянии она может существовать более миллиона лет. Но рано или поздно запасы реагирующего водорода у звезды иссякают, и она начинает остывать и сжиматься.
Тут сравнение с человеческой жизнью заканчивается, потому что дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды. Из более крупных светил образуются нейтронные звезды. Их размер куда меньше, чем у белых карликов, зато плотность составляет сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.
И, наконец, если масса звезды достаточно велика, то образующаяся нейтронная звезда под воздействием гравитации сжимается все сильнее и сильнее, пока не станет черной дырой.
Выхода нет
Одним из важнейших достижений Эйнштейна было открытие природы гравитации. Ученый показал, что она, по сути, является искривлением пространства. Под воздействием массивных объектов оно «проминается», как натянутая эластичная ткань, на которую положили тяжелый предмет. Продолжая это сравнение, можно сказать, что точно так же в виде тяжелого шара можно представить и Солнце, а Земля, будучи значительно более мелким шариком, не притягивается к нему, а всего лишь вращается в получившейся воронке (с той только разницей, что настоящий шарик со временем скатился бы вниз).
В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным — такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Так же можно представить и рождение черной дыры — шар на натянутой эластичной ткани становится все более маленьким и плотным, и ткань все сильнее прогибается под его весом, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним и он пропадает из поля зрения. Примерно так происходит и в реальности: пространство-время вокруг звезды свертывается, и она пропадает из Вселенной, оставляя в ней лишь сильно искривленную область пространства-времени. В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным — такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Из-за происходящего искривления лучи света, идущие от звезды, меняют свои траектории. Если представить себе эти лучи как конусы, вершина которых — у звезды, а «подошва» — это круг расходящегося света, то можно сказать, что в процессе коллапса эти конусы постепенно все больше наклоняются внутрь, к звезде. Наблюдателю, смотрящему на этот процесс, будет казаться, что свечение становится все более тусклым и красным (это потому что красный свет имеет наибольшую длину волны). В конце концов искривление (то есть гравитационное поле) станет настолько сильным, что ни один луч света не сможет выйти наружу. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, и это означает, что начиная с этого момента ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля. Эту область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется по траектории тех световых лучей, которые первыми потеряли возможность выйти наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры — так же как, глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.
На самом деле все не так
Убеждение, что ничто не может покинуть черную дыру, было незыблемым до 70-х годов XX века. А в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры в результате квантовых процессов все же излучают разнообразные элементарные частицы, преимущественно фотоны. В 2010-х годах разные группы ученых в лабораторных условиях подтвердили его предположение. При этом в природе такого излучения пока не было обнаружено, как, впрочем, и самих черных дыр — Нобелевская премия за их открытие еще ждет своего счастливчика.
Мы ежедневно сталкиваемся с fake facts, заблуждаемся и искажаем картину мира, а с некоторыми ложными установками живем всю жизнь. Пора это исправить. В нашем научно-просветительском проекте #НАДОРАЗОБРАТЬСЯ рассказываем, как защитить себя от фейков, научиться их распознавать, и развеиваем самые распространенные мифы об окружающем нас мире.
Что такое горизонт событий?
Горизонт событий можно описать простым языком как точку невозврата. Это космическая тюрьма, из которой даже сам свет никогда не сможет выбраться, порог, за которым никакие события не могут повлиять на наблюдателя. Чтобы более детально понять, как концептуализируется горизонт событий, нужно говорить в контексте астрофизики, а именно теории общей относительности и черных дыр, с которыми тесно связано понятие о горизонте событий.
Точка невозврата
Горизонт событий является частью черной дыры, его можно представить как внешнее кольцо, окружающее черную дыру, и если конкретный объект проходит мимо этого внешнего кольца, он больше никогда не сможет вернуться. Похоже, что оно «прилипло» к глазам наблюдателя. Как именно теория относительности Альберта Эйнштейна играет в этом роль? Законы общей относительности гласят, что гравитационные тяготения черных дыр настолько сильны, что ни один объект не может от них ускользнуть.
Как утверждает Эйнштейн, нет ничего, что может путешествовать быстрее скорости света. Как только что-то входит в это кольцо вокруг черной дыры, которую мы называем горизонтом событий, необходимая скорость для побега начинает превышать скорость света. Но если скорость света самая высокая, как можно избежать этого? Никак, поэтому мы называем это точкой невозврата. Чем ближе кто-то или что-то приближается к центру черной дыры, тем быстрее увеличивается скорость, необходимая для побега.
Что такое квазар?
Если мы посмотрим на галактику нашей собственной Солнечной системы, Млечный Путь, то в ее центре есть черная дыра, масса которой равна массе 250 0000 Солнца, а горизонт событий простирается на многие миллионы километров. Важно заметить, что на самом деле никто никогда не видел черную дыру. Тем не менее физики убеждены в их существовании.
Единственное, что мы на самом деле можем видеть, это то, что называется аккреционным диском. Это дискообразный поток различных космических материалов, таких как газ и пыль, который подошел достаточно близко к черной дыре, но достаточно далеко, чтобы не упасть в нее. Эти галоподобные вещества, окружающие черную дыру, также называют квазарами, неологизмом, состоящим из «квазизвездного радиоисточника». Они называются так потому, что квазары были впервые обнаружены как радиоисточники. Они также являются одним из древнейших тел во Вселенной, а также самыми дальними и яркими объектами, которые мы можем видеть.
Стивен Хокинг «отменил» горизонт событий черных дыр
В классической теории из черной дыры нет выхода, однако 2 года назад физик-теоретик Джо Полчински и его коллеги провели мысленный эксперимент, в ходе которого возник так называемый парадокс огненной стены или парадокс файрвола (firewall paradox).
В мысленном эксперименте исследователи представили, что случилось бы с космонавтом, который упал в черную дыру. Классическая теория рисует следующую картину: космонавт незаметно для себя пересекает горизонт событий, не подозревая о своей обреченности и невозможности вернуться. При этом космонавт находится в состоянии свободного падения и не испытывает перегрузок. Однако, по мере приближения к центру черной дыры, космонавта, как спагетти продавливает невероятная гравитация сверхмассивной сингулярности (бесконечно плотное ядро черной дыры). К счастью, страшную гибель космонавта никто не сможет увидеть – после пересечения горизонта событий, для внешнего наблюдателя он просто исчезнет в черной дыре, хотя сам космонавт не заметит перехода границы и продолжит полет к сингулярности.
Однако, более детальный анализ, проведенный командой Полчински, привел ученых к поразительному выводу. Оказывается, законы квантовой механики, которые управляют частицами в малых масштабах, могут полностью изменить ситуацию с полетом космонавтов. Квантовая теория превращает горизонт событий в весьма энергичную область – тот самый файрвол или стену огня. Файрвол сожжет космонавта дотла задолго до приближения к сингулярности.
Парадокс файрвола вызвал панику среди физиков, ведь опираясь на квантовую физику, он оспаривает общую теорию относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, космонавт в свободном падении должен подчинятся законам физики, идентичным во всей Вселенной, то есть и возле черной дыры, и в пустом межгалактическом пространстве. Согласно теории Эйнштейна, горизонт событий должен быть ничем не примечательным местом, но никак не «огненной стеной».
Стивен Хокинг предлагает третий, соблазнительно простой, вариант, при котором вантовая механика и общая теория относительности остаются нетронутыми. Суть его идеи в том, что черные дыры просто не имеют горизонта событий и стены огня, поскольку квантовые эффекты вокруг черной дыры вызывают слишком сильные колебания пространства-времени. В результате вблизи черной дыры не могут существовать какие-либо резкие границы: будь-то горизонт событий или файервол.
Согласно новой теории Хокинга, при определенных условиях, сокращение видимого горизонта черной дыры может привести к тому, что она освободит всю захваченную ею материю и энергию
На месте горизонта событий, согласно теории Хокинга, существует размытая граница, некий видимый или мнимый горизонт. Это размытая граница, на которой лучи света, убегающие от черной дыры, начинают замедляться. В общей теории относительности свет пытается вырваться из черной дыры, но застревает на границе горизонта событий, где гравитация достаточно сильна, чтобы тормозить фотоны. Поэтому в теории относительности видимый горизонт и горизонт событий не выделяются в два отдельных явления. Тем не менее, Хокинг полагает, что эти два горизонта можно выделить. Например, если черная дыра поглотит большое количество материи, ее горизонт событий будет расти больше, чем видимый горизонт.
С другой стороны, черные дыры могут постепенно сокращаться, извергая так называемое излучение Хокинга. В этом случае, горизонт событий, теоретически, становится меньше видимого горизонта.
Новое предложение Хокинга не оспаривает тот факт, что горизонт событий существует. Ведь его отсутствие означает, что черных дыр вообще нет, ведь материя и информация может спокойно их покидать.
Тем не менее, новая теория Хокинга вызывает ряд вопросов. Прежде всего, получается, что черная дыра все же может «отпустить» материю и энергию, хоть и в искаженном виде. Так, например, в случае сокращения видимого горизонта до определенного малого размера, где эффекты квантовой механики и гравитации объединятся, черная дыра может исчезнуть. В этот момент, вся материя и энергия, накопленная черной дырой, освободятся, хотя и не в той форме, в какой они были захвачены. Также, под сомнением и существование сингулярности в центре черной дыры. Если Хокинг прав, материя внутри черной дыры лишь находится на «временном хранении» в видимом горизонте: она будет медленно двигаться внутрь черной дыры под воздействием гравитации, но никогда не будет сжата в бесконечно плотную сингулярность. При этом сохранится принцип горизонта событий: даже если информация о поглощенных черной дырой объектах вырвется за ее пределы через излучение Хокинга, она будет в совершенно ином виде и восстановить облик этих объектов будет невозможно.
Теория Хокинга – это попытка объединить противоречия квантовой и классической физики. Однако это будет не так просто. По словам самого Стивена Хокинга, в классической теории из черной дыры нет исхода, но квантовая теория позволяет энергии и информации выйти из черной дыры. Физик признает, что для полного объяснения процессов, протекающих в черной дыре, потребуется объединить гравитацию с другими фундаментальными силами природы, а эта задача остается нерешенной уже почти столетие.
За горизонтом событий: Мир из черной дыры
Зрелищное исследование, посвященное физике черных дыр, провели Эндрю Гамильтон (Andrew Hamilton) и Гэвин Полемус (Gavin Polhemus). Они не просто нарисовали воображаемую трехмерную модель событий, происходящих у самой границы черной дыры и дальше, в ее недрах, но создали настоящие картины релятивистской модели этого процесса. Итак, что же там, за горизонтом?
Но прежде стоит напомнить, что в случае черной дыры речь идет о горизонте событий. Упрощенно говоря, это воображаемая граница, до которой мы еще можем видеть события и хотя бы теоретически повлиять на них, но после которой материя начинает падать в черную дыру — и перейдя которую ничто, даже свет, уже не может вернуться обратно.
Черная дыра характеризуется всего тремя параметрами — массой, зарядом и спином. Они считаются едва ли не самыми «простыми» объектами, намного проще звезд или планет. Именно это и позволило создать впечатляющие картинки: для других тел подобные расчеты плка невозможны. И то — в работе ученые использовали простейший вид черной дыры, не имеющей ни заряда, ни спина. Геометрия окружающего пространства определяется только одним: массой сферической черной дыры.
В этом пространстве можно выделить четыре зоны (взгляните на иллюстрацию слева). Первая — еще вполне безопасная, в которой круговые орбиты других тел не нарушаются, и они могут оставаться там сколько угодно долго. Но представим, что мы направились дальше. Мы попадем во вторую зону, круговые орбиты здесь нестабильны, а затем и в третью, где притяжение черной дыры уже начинает засасывать в себя все подряд. Чтобы оставаться в этой зоне, придется постоянно держать включенными двигатели звездолета. Иначе нас ждет красная зона за горизонтом событий — отсюда уже ничто не выберется.
Но работа эта отнюдь не чисто «увеселительная», из нее ученые делают и вполне серьезные выводы. Такие вычисления помогают лучше понять, как действуют известные физические законы в недоступных недрах черных дыр, и как они меняются с переходом через горизонт событий.
А в остальном — приглашаем посмотреть картинки.
Картинка первая
Вверху: Если позади черной дыры находится яркий объект, свет от него будет сильно отклоняться из-за гравитационного линзирования, и нам из звездолета будет видно только светящееся кольцо. Внизу: У настоящей черной дыры координатной сетки, конечно, нет. Но если мы спроецируем ее на дыру на экране нашего звездолета, то увидим одновременно оба ее полюса — и все из-за того же линзирования.