Горизонт событий — это математическая и физическая граница в пространстве-времени, разделяющая области, откуда сигналы могут достигнуть внешнего наблюдателя, и области, откуда это невозможно. Наиболее известный пример — горизонт событий чёрной дыры. Для внешнего наблюдателя всё, что пересекает эту границу, становится недоступным для наблюдения.
Физически горизонт событий определяется метрикой пространства-времени. В случае не вращающейся (шварцшильдовской) чёрной дыры радиус горизонта событий rs определяется выражением:
$$ r_s = \frac{2GM}{c^2}, $$
где G — гравитационная постоянная, M — масса чёрной дыры, c — скорость света в вакууме.
Один из ключевых эффектов, связанных с горизонтом событий, — экстремальная гравитационная дилатация времени. Согласно общей теории относительности, время течёт медленнее в сильных гравитационных полях. Для наблюдателя, находящегося на безопасном расстоянии от чёрной дыры, процесс приближения объекта к горизонту событий замедляется.
Если t∞ — время для удалённого наблюдателя, а τ — собственное время падающего объекта, связь между ними описывается через метрику Шварцшильда:
$$ d\tau = \sqrt{1 - \frac{r_s}{r}} \, dt_\infty. $$
При r → rs подкоренное выражение стремится к нулю, что означает, что с точки зрения внешнего наблюдателя время падающего объекта замедляется почти до полной остановки. В реальности объект пересекает горизонт событий за конечное собственное время, но для внешнего наблюдателя это выглядит как «замерзание» во времени.
Фраза «остановка времени» не означает физическую остановку протекания времени для падающего объекта. Она отражает относительный характер времени:
Это различие иллюстрирует фундаментальный принцип относительности: скорость течения времени зависит от системы отсчёта.
При приближении к горизонту событий фотонный сигнал падающего объекта испытывает гравитационное красное смещение. Частота излучения уменьшается:
$$ \nu_\infty = \nu_0 \sqrt{1 - \frac{r_s}{r}}, $$
где ν0 — частота вблизи объекта. В пределе r → rs частота стремится к нулю, что делает объект невидимым в традиционном оптическом диапазоне. Этот эффект называется гравитационным покраснением и является прямым следствием кривизны пространства-времени.
С точки зрения астрономических наблюдений, горизонт событий создаёт иллюзию «замороженного» объекта, одновременно служа границей для любых наблюдаемых сигналов.
С учётом квантовой механики горизонт событий не является абсолютно «непроницаемой» границей. Теоретическая модель, предложенная Стивеном Хокингом, описывает излучение Хокинга, возникающее за счёт квантовых флуктуаций вакуума. Пары виртуальных частиц образуются около горизонта событий; одна из частиц может покинуть чёрную дыру, создавая видимое излучение, в то время как другая поглощается.
Этот эффект приводит к постепенному уменьшению массы чёрной дыры и к концепции квантовой испаряемости. Несмотря на это, принцип относительной остановки времени для внешнего наблюдателя сохраняется: падающий объект всё так же видится «замороженным».
В астрономии горизонты событий чёрных дыр напрямую связаны с активностью аккреционных дисков, джетов и наблюдаемыми сигналами рентгеновского и гамма-излучения. Релятивистские эффекты, такие как гравитационное замедление времени и красное смещение, помогают моделировать световые кривые и спектры объектов вблизи горизонта.
В теоретической физике горизонт событий остаётся ключевым понятием для изучения гравитационного коллапса, сингулярностей и взаимодействия классической гравитации с квантовыми полями. Он служит границей, где общая теория относительности требует дополнений через квантовую гравитацию, особенно для понимания информационного парадокса чёрных дыр.