Горизонт событий — это фундаментальное понятие в общей теории относительности, определяющее границу пространства-времени, за которой события становятся недоступными для наблюдателя. Он характеризует область, из которой никакая информация, включая свет, не может выйти наружу. Горизонт событий формируется вокруг массивных объектов с чрезвычайно сильным гравитационным полем, наиболее известным примером которых являются черные дыры.
Для статической сферически симметричной черной дыры горизонтом событий является поверхность, на которой скорость убегания равна скорости света. В системе координат Шварцшильда радиус этой поверхности определяется как
$$ r_s = \frac{2GM}{c^2}, $$
где G — гравитационная постоянная, M — масса объекта, c — скорость света.
Горизонт событий не является физической поверхностью в привычном смысле; это скорее геометрическая граница пространства-времени, определяемая кривизной метрики. Любой объект, пересекающий горизонт, необратимо попадает внутрь черной дыры, независимо от усилий извне.
1. Односторонняя проницаемость. Горизонт событий обладает свойством «одностороннего клапана»: материя и излучение могут пересечь его в направлении внутрь, но не могут выйти наружу. Это вытекает из структуры световых конусов: все будущие световые конусы внутри горизонта направлены внутрь, исключая возможность обратного движения к внешнему пространству.
2. Незаметность для падающего наблюдателя. Падающий объект не испытывает мгновенного разрушения при пересечении горизонта. В локальной системе координат все физические процессы продолжаются, а ускорение, вызванное гравитацией, ощущается как обычное свободное падение. Таким образом, горизонт событий является «невидимой» границей, не создающей локально ощутимых эффектов.
3. Искривление времени и красное смещение. Для внешнего наблюдателя свет, исходящий от объекта, приближающегося к горизонту, всё сильнее краснеет и замедляется. Формально частота излучения ν уходит к нулю при приближении к радиусу Шварцшильда:
$$ \nu_{\text{наблюдателя}} = \nu_{\text{источника}} \sqrt{1 - \frac{2GM}{rc^2}}. $$
Это явление известно как гравитационное красное смещение и демонстрирует, что с точки зрения удаленного наблюдателя объект никогда не достигает горизонта за конечное время.
4. Поверхностная температура и термодинамика. Горизонт событий обладает свойствами термодинамического объекта. Согласно теории Хокинга, черная дыра излучает тепловое излучение с температурой
$$ T_H = \frac{\hbar c^3}{8 \pi G M k_B}, $$
где ℏ — редуцированная постоянная Планка, kB — постоянная Больцмана. Излучение Хокинга связывает гравитацию с квантовой теорией и приводит к представлению о горизонте как о термодинамическом объекте с энтропией, пропорциональной площади:
$$ S = \frac{k_B c^3 A}{4 G \hbar}. $$
5. Телепортация кривизны пространства-времени. Горизонт событий представляет собой поверхность, на которой метрика Шварцшильда становится особенной в стандартных координатах, однако это лишь координатная особенность. В подходящих системах координат, таких как координаты Крускала–Секерса, метрика является регулярной на горизонте, что позволяет описывать процесс падения через него без сингулярностей.
6. Механика горизонта событий. Горизонт подчиняется законам механики черных дыр, аналогичным законам термодинамики:
Эти законы обеспечивают строгие ограничения на эволюцию черной дыры и подчеркивают глубокую связь между гравитацией и термодинамикой.
Для вращающихся (метрика Керра) и заряженных (метрика Рейснера–Нордстрёма) черных дыр горизонты событий становятся более сложными. В случае черной дыры Керра существует два горизонта: внешний и внутренний. Вращение приводит к эффектам, таким как эргосфера, где возможно извлечение энергии из вращения. Заряженные черные дыры могут обладать двумя радиусами горизонтов:
$$ r_\pm = \frac{GM}{c^2} \pm \sqrt{\left(\frac{GM}{c^2}\right)^2 - \frac{G Q^2}{4 \pi \varepsilon_0 c^4}}. $$
При определенных условиях горизонты могут сливаться, создавая экстремальные состояния.
Горизонт событий не только блокирует выход информации наружу, но и взаимодействует с падающей материей. При падении газа или звезд формируются аккреционные диски, где мощные гравитационные силы ускоряют частицы до релятивистских скоростей, вызывая рентгеновское излучение. Это излучение наблюдается извне и позволяет косвенно изучать свойства горизонтов.
Сильное искривление света возле горизонта приводит к эффектам гравитационного линзирования и образованию т.н. «тени черной дыры», наблюдаемых современными инструментами, такими как Event Horizon Telescope.