Понятие «горизонт событий» - это граница, после пересечения которой даже свет не может вырваться за пределы черной дыры, он считается основной характеристикой данного космического объекта. Однако, мысль о том, что существует некий объект, гравитация которого не позволяет сбежать ни одной частице, несовместима с современной квантовой физикой.

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.

Вселенная и сфера Хаббла
Как же это возможно?

Словосочетание Big Ваng, использованное Фредом Хойлом (Fred Ноуlе) в 1950 году во время его радиоинтервью на ВВС, было впоследствии переведено на русский именно как Большой взрыв (на самом деле словосочетанием «Большой взрыв» корректно переводить лишь Big Explosion). Так началась путаница, отсутствующая в английском языке. Слово Ваng не означает собственно «взрыв». Оно используется в комиксах для обозначения удара или взрыва. Это, скорее, нечто вроде «бабах» или «бум». Слово "взрыв" вызывает вполне конкретные ассоциации, поэтому в связи с Большим взрывом и возникают вопросы «что взорвалось?», «где?», «от чего?» и тому подобные. На самом деле Big Ваng совсем не похож на взрыв. Во-первых, взрыв обычно происходит в нашем привычном пространстве и связан с разницей в давлении. Как правило, эта разница обеспечивается колоссальным отличием в температуре. Ее повышение обеспечивается быстрым выделением большого количества энергии за счет какой-либо химической или ядерной реакции. Большой взрыв в отличие от обычного не связан с какой-либо разницей в давлении. Он привел в первую очередь к рождению самого пространства с веществом, а уже потом к расширению пространства и последующему разлету вещества. Нельзя указать и «точку», в которой он произошел.

Часто даже профессионалы (физики, астрономы) на вопрос: «Можно ли наблюдать галактику, которая и в момент излучения ею света, и в момент приема ее сигнала на Земле удаляется от нас быстрее света?» - отвечают: «Конечно, нельзя!» Срабатывает интyиция, основанная на специальной теории относительности (СТО), которую один космолог метко назвал «тени СТО». Однако этот ответ неправильный. Оказывается, все-таки можно. В любой космологической модели скорость убегания линейно растет с расстоянием. Это связано с одним из важнейших принципов - однородностью Вселенной. Следовательно, существует такое расстояние, на котором скорость убегания достигает световой, а на больших расстояниях она становится сверхсветовой. Та воображаемая сфера, на которой скорость убегания равна световой, называется сферой Хаббла.
«Как же это возможно! - воскликнет читатель. - Неужели специальная теория относительности неверна?» Верна, но противоречия здесь нет. Сверхсветовые скорости - вполне реальны, когда речь идет не о переносе энергии или информации из одной точки пространства в другую. Например, солнечный зайчик может двигаться с любой скоростью, нужно только установить экран, по которому он бежит, подальше. СТО «запрещает» лишь передачу информации и энергии со сверхсветовой скоростью. А для переноса информации нужен сигнал, распространяющийся по пространству, - расширение самого пространства тут ни при чем. Так что в нашем примере про удаляющиеся галактики с теорией относительности все в полном порядке: со сверхсветовой скоростью они удаляются лишь от земного наблюдателя, а по отношению к окружающему пространству их скорость может вообще быть нулевой. Удивительно то, что мы можем увидеть галактики, улетающие от нас быстрее света. Это возможно потому, что скорость расширения Вселенной не была постоянной. Если в какой-то период она уменьшится и свет сможет «добежать» до нашей Галактики, то мы увидим сверхсветовой источник. Этот пример прекрасно иллюстрирует то, что судьба фотона зависит от того, как ведет себя Вселенная во время его движения па ней. Допустим, что в момент излучения фотона галактика - источник удалялась от нас быстрее света. Тогда, хотя фотон и был испущен в нашу сторону, двигаясь по растягивающейся координатной сетке, он будет удаляться от нас за счет раздувания Вселенной. Если темп расширения уменьшается, то вполне возможно, что в какой-то момент скорость убегания (в том месте, где в это время находится фотон) станет меньше скорости света. Тогда свет начнет приближаться к нам и в конце концов может достичь нас. Сам галактика-источник в момент «разворота» света удаляется от нас все еще быстрее света (потому что она гораздо дальше фотона, а скорость растет с расстоянием). В момент приема фотона ее скорость тоже может быть больше световой (то есть она будет находиться за сферой Хаббла), но это не помешает ее наблюдению.
Во Вселенной, заполненной веществом (такая Вселенная всегда pacширяется с замедлением), можно детально рассчитать все эти критические параметры. Если бы наш мир был таким, то галактики, для которых красное смещение больше 1,25, излучили принимаемый нами сейчас свет в тот момент, когда их скорость была больше скорости света. Современная сфера Хаббла для простейшей модели Вселенной, заполненной веществом (то есть без вклада темной энергии), имеет радиус, соответствующий красному смещению, равному 3. И все галактики с большим смещением начиная с момента излучения до нашего времени удаляются от нас быстрее света.
В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая - в пространстве - времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах. Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст, то свет от далеких объектов просто еще не успел до нас дойти. Этот горизонт все время расширяется: время идет, и мы «дожидаемся» сигналов от все более и более далеких галактик. Горизонт частиц удаляется, он как бы убегает от нас со скоростью, которая может быть и больше скорости света. Благодаря этому мы видим все больше и больше галактик.
Заметим, что современное расстояние до «галактик на краю наблюдаемой Вселенной» нельзя определять как произведение скорости света на возраст Вселенной. В любой модели расширяющейся Вселенной это расстояние будет больше такого произведения. И это вполне понятно. Такое расстояние прошел сам свет, но Вселенная за это время успела расшириться, поэтому современное расстояние до галактики больше пути, пройденного светом, а в момент излучения это расстояние могло быть существенно меньше этого пути.
Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение. Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению - Зх10 7 . Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» (10 43 секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.
Горизонт событий - это поверхность в пространстве - времени. Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в описанной выше замедляющейся Вселенной горизонта событий нет - любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Можно представить себе это как межгалактическую трансляцию футбольного матча, происходящего в далекой галактике, сигнал которой мы никогда не получим. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая - модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва (Big Rip), но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант - расширение с ускорением. В таком случае некоторые нелюбители футбола попросту «убегут от света»: для них скорость расширения будет сверхсветовой.
Говоря о «большой Вселенной», часто полагают, что вещество равномерно распределено в пространстве. В первом приближении это верно. Однако не стоит забывать и о таких «возмущениях», как галактики и их скопления. Они образуются из первичных флуктуаций плотности. Если в равномерно распределенном веществе возникает шар с чуть большей плотностью, то, не учитывая эффектов, связанных с температурой, можно сказать, что шар начнет сжиматься, а плотность вещества - расти. В простейшей модели расширяющейся Вселенной, в которой вклад темной энергии равен нулю, ничего принципиально не изменяется. Любое возмущение плотности в такой пылевой Вселенной (для реального газа, а не пыли нужно, чтобы масса возмущения превзошла некоторую критическую величину - так называемую массу Джинса) приведет к тому, что вещество «выпадет» из расширения Вселенной и образует связанный объект. Если же вклад темной энергии не нулевой, то флуктуации плотности с самого начала должны иметь величину больше некоторой критической, иначе контраст плотности не успеет возрасти до нужного значения, и вещество не "выпадет" из Хаббловского потока. Подобно тому, как энергия фотона уменьшается за счет расширения, кинетическая энергия частичек пыли также будет уменьшаться со временем по мере расширения Вселенной. Из-за этого, пока флуктуация не отделилась полностью от общего расширения Вселенной, процесс «схлопывания» возмущения будет идти медленнее, чем без учета расширения. Вместо экспоненциального роста плотности будет наблюдаться степенной ее рост. Как только контраст плотности достигнет некоторого критического значения, флуктуация как бы «забудет» про расширение Вселенной.
Причуды черной королевы

Получается, что расширяющаяся Вселенная в чем-то похожа на страну Черной королевы, в которую попала Алиса в сказке Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье». Там, чтобы устоять на месте, нужно было очень быстро бежать. Допустим, что имеется галактика, обладающая большой собственной скоростью, направленной на нас. В этом случае в ее полное спектральное смещение будут вносить вклад два эффекта: космологическое красное расширение и синее смещение из-за эффекта Доплера за счет ее собственной скорости. Первый вопрос такой: как будет изменяться расстояние до галактики с нулевым смещением спектра? Ответ: галактика будет от нас удаляться. Второй вопрос: представим себе галактику, расстояние до которой не изменяется из-за того, что ее собственная скорость полностью скомпенсировала эффект расширения (это как раз похоже на Алису, бегущую по стране Черной королевы). Галактика перемещается по нашей нарисованной координатной сетке с такой же скоростью, с какой сетка раздувается. Каким будет смещение спектра такой галактики? Ответ: смещение будет синим. То есть линии в спектре такой галактики будут смещены в сторону более коротких волн.
Столь неожиданное поведение спектра излучения обусловлено тем, что здесь имеют место два физических эффекта, описывающихся разными формулами. Для источника, находившегося на сфере Хаббла, в момент излучения в простейшей модели замедляющейся Вселенной красное смещение равно 1,25, а скорость убегания равна скорости света. Значит, чтобы оставаться на неизменном расстоянии от нас, источник должен иметь собственную скорость, равную скорости света. А к собственным (пекулярным) скоростям надо применять формулу для релятивистского эффекта Доплера, которая для скорости

Гравитационное линзирование на скоплении гала-ктик. Основной вклад в массу скопления вносит загадочное темное вещество. Галактики, находящиеся за сферой Хаббла, удаляются быстрее света.

Причуды черной королевы

Сегодня космология считается точной наукой, и измерение метрики пространства производится с помощью лазерных интерферометров и сверх-проводящих гироскопов.

источника, равной скорости света и направленной на нас, дает бесконечно большое синее смещение. Смещение спектральных линий за счет эффекта Доплера оказывается значительнее космологического и для галактик на меньших расстояниях. Таким образом, покоящийся источник будет иметь синее смещение, а звезда с нулевым смещением будет от нас удаляться.
Конечно, галактики не могут иметь околосветовые собственные скорости. Зато некоторые квазары и галактики с активными ядрами порождают джеты - струи вещества, бьющие на расстояния в миллионы световых лет. Скорость вещества в такой струе может быть близка к скорости света. Если струя направлена на нас, то за счет эффекта Доплера мы можем увидеть синее смещение. Кроме того, вещество должно вроде как приближаться к нам. Однако в свете того, что было написано выше, второй вывод не столь очевиден. Если источник находится достаточно далеко, то космологическое расширение все равно «унесет» вещество от нас, даже если его скорость очень близка к световой и струя видна нам «посиневшей». Только в космологии возникаеттакая абсурдная на первый взгляд ситуация, когда удаляющийся от нас объект имеет синее смещение. Например, квазар GB1508+5714, имеющий красное смещение 4,3, удаляется от нас в 1,13 раза быстрее света. Значит, вещество его джета, двигающееся в нашу сторону с большой собственной скоростью, удаляется от нас, так как скорость частиц не может превосходить скорость света.
Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий. Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно - свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий: все ускоряющееся расширение «утянет» туда соответстеующие им точки на координатной сетке.
Тут, кстати, хорошо видна разница между горизонтом частиц и горизонтом событий. Те галактики, что были под горизонтом частиц, так под ним и останутся, свет от них будет продолжать доходить. Но чем ближе становится скорость галактики к скорости света, тем больше времени нужно свету, чтобы дойти до нас, и все события в такой галактике покажутся нам растянутыми во времени. Условно говоря, если в такую галактику поместить часы, которые к моменту ее ухода за горизонт событий должны показывать 12 часов дня, то земным наблюдателям будет виден бесконечно замедляющийся ход этих часов. Сколько бы мы ни смотрели (теоретически такая галактика «с часами» никогда не исчезнет с нашего небосклона), мы никогда не увидим стрелки часов ровно на «двенадцати» - последний оборот она будет совершать бесконечно долго по нашим собственным часам. Подождав длительное время, мы увидим то, что происходило в галактике (по ее часам) в 11 ч 59 м, в 11 ч 59 м 59 с итак далее. Но то, что произошло на ней после «полудня», останется скрытым от нас навсегда. Это очень похоже на наблюдение за часами, падающими в черную дыру.
Аналогично, возможно, рассуждает и наблюдатель в этой далекой галактике. Он сейчас видит нашу галактику в ее прошлом, но с какого-то момента времени наша история станет недостyпной для него, поскольку наши сигналы перестанут доходить до этой галактики. Забавно, что для общепринятого набора космологических параметров такие галактики находятся в общем-то недалеко. Их красное смещение должно быть более 1,8. То есть они могут находиться даже внутри сферы Хаббла, но послать им весточку человечество уже опоздало.
Вот такие парадоксальные с точки зрения здравого смысла явления происходят в нашей Вселенной. Их необычность связана с тем, что привычные понятия скорости, расстояния и времени в космологии приобретают несколько иной смысл. К сожалению, пока ученые не пришли к какому-то общему мнению о том, какой жизнью живет наша Вселенная и что с ней в принципе может случиться. Ведь даже специалистам расширение границ здравого смысла дается очень непросто.

Сергей Попов, Алексей Топоренский

Альбёрт Эйнштейн в свое время сказал: «Здравый смысл - это предрассудки, усвоенные человеком в возрасте до 18 лет». Он жил в эпоху формирования нового взгляда на физический мир и имел немало оснований для недоверия обычным представлениям о свойствах предметов. Целых три новых мира развернулись перед учеными в начале ХХ века: квантовые явления, специальная и общая теории относительности. У нас нет бытовой интуиции, позволяющей ощутить специфику явлений, происходящих в этих мирах. Здравый смысл, основанный на наших непосредственных ощущениях, позволяет нам понять только законы ньютоновской механики, а она в микро-, мега- и двигающихся с околосветовой скоростью мирах неприменима. На помощь приходят рукотворные приборы, расширяющие возможности человеческого восприятия. Ускорители и телескопы, лазеры и микроскопы, компьютеры и человеческий ум позволяют сделать явления, недоступные нам, понятными и логичными. Только вот логика и законы, открывшиеся ученым при исследовании глубин мироздания, оказались совсем не такими, к каким мы привыкли.

·
Принцип эквивалентности ·
Мировая линия · Псевдориманова геометрия

Явления
Задача Кеплера в ОТО · Гравитационное линзирование · Гравитационная волна · Увлечение инерциальных систем отсчёта · Расхождение геодезических · Горизонт событий · Гравитационная сингулярность · Чёрная дыра

Развитие теории
Параметризованный постньютоновский формализм · Теории типа Калуцы - Клейна · Квантовая гравитация · Альтернативные теории

Решения
Точные решения:

Известные учёные
Эйнштейн · Минковский · Шварцшильд · Леметр · Эддингтон · Фридман · Фок · Керр · Чандрасекар · Пенроуз Хокинг и другие…

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 не изменяемые; 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 (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

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 .

Другие примеры горизонтов событий

• Для наблюдателя, движущегося с постоянным собственным ускорением в пространстве Минковского (его скорость в инерциальной системе отсчёта приближается к скорости света, но не достигает её), существуют два горизонта событий, так называемые горизонты Риндлера (см. координаты Риндлера).
  Более того, для ускоренного наблюдателя существует аналог излучения Хокинга - излучение Унру .
• Горизонт событий будущего существует для нас в нашей Вселенной , если верна современная космологическая модель ΛCDM .
• В акустике также существует конечная скорость распространения взаимодействия - скорость звука , в силу чего математический аппарат и физические следствия акустики и теории относительности становятся аналогичными, а в сверхзвуковых потоках жидкости или газа возникают аналоги горизонтов событий - акустические горизонты.

См. также

Напишите отзыв о статье "Горизонт событий"

Примечания

Типы Размеры Образование Свойства Модели Теории Точные решения в ОТО Связанные темы

Отрывок, характеризующий Горизонт событий

– Нельзя не сознаться, – продолжал князь Андрей, – Наполеон как человек велик на Аркольском мосту, в госпитале в Яффе, где он чумным подает руку, но… но есть другие поступки, которые трудно оправдать.
Князь Андрей, видимо желавший смягчить неловкость речи Пьера, приподнялся, сбираясь ехать и подавая знак жене.

Вдруг князь Ипполит поднялся и, знаками рук останавливая всех и прося присесть, заговорил:
– Ah! aujourd"hui on m"a raconte une anecdote moscovite, charmante: il faut que je vous en regale. Vous m"excusez, vicomte, il faut que je raconte en russe. Autrement on ne sentira pas le sel de l"histoire. [Сегодня мне рассказали прелестный московский анекдот; надо вас им поподчивать. Извините, виконт, я буду рассказывать по русски, иначе пропадет вся соль анекдота.]
И князь Ипполит начал говорить по русски таким выговором, каким говорят французы, пробывшие с год в России. Все приостановились: так оживленно, настоятельно требовал князь Ипполит внимания к своей истории.
– В Moscou есть одна барыня, une dame. И она очень скупа. Ей нужно было иметь два valets de pied [лакея] за карета. И очень большой ростом. Это было ее вкусу. И она имела une femme de chambre [горничную], еще большой росту. Она сказала…
Тут князь Ипполит задумался, видимо с трудом соображая.
– Она сказала… да, она сказала: «девушка (a la femme de chambre), надень livree [ливрею] и поедем со мной, за карета, faire des visites». [делать визиты.]
Тут князь Ипполит фыркнул и захохотал гораздо прежде своих слушателей, что произвело невыгодное для рассказчика впечатление. Однако многие, и в том числе пожилая дама и Анна Павловна, улыбнулись.
– Она поехала. Незапно сделался сильный ветер. Девушка потеряла шляпа, и длинны волоса расчесались…
Тут он не мог уже более держаться и стал отрывисто смеяться и сквозь этот смех проговорил:
– И весь свет узнал…
Тем анекдот и кончился. Хотя и непонятно было, для чего он его рассказывает и для чего его надо было рассказать непременно по русски, однако Анна Павловна и другие оценили светскую любезность князя Ипполита, так приятно закончившего неприятную и нелюбезную выходку мсье Пьера. Разговор после анекдота рассыпался на мелкие, незначительные толки о будущем и прошедшем бале, спектакле, о том, когда и где кто увидится.

Поблагодарив Анну Павловну за ее charmante soiree, [очаровательный вечер,] гости стали расходиться.
Пьер был неуклюж. Толстый, выше обыкновенного роста, широкий, с огромными красными руками, он, как говорится, не умел войти в салон и еще менее умел из него выйти, то есть перед выходом сказать что нибудь особенно приятное. Кроме того, он был рассеян. Вставая, он вместо своей шляпы захватил трехугольную шляпу с генеральским плюмажем и держал ее, дергая султан, до тех пор, пока генерал не попросил возвратить ее. Но вся его рассеянность и неуменье войти в салон и говорить в нем выкупались выражением добродушия, простоты и скромности. Анна Павловна повернулась к нему и, с христианскою кротостью выражая прощение за его выходку, кивнула ему и сказала:
– Надеюсь увидать вас еще, но надеюсь тоже, что вы перемените свои мнения, мой милый мсье Пьер, – сказала она.
Когда она сказала ему это, он ничего не ответил, только наклонился и показал всем еще раз свою улыбку, которая ничего не говорила, разве только вот что: «Мнения мнениями, а вы видите, какой я добрый и славный малый». И все, и Анна Павловна невольно почувствовали это.
Князь Андрей вышел в переднюю и, подставив плечи лакею, накидывавшему ему плащ, равнодушно прислушивался к болтовне своей жены с князем Ипполитом, вышедшим тоже в переднюю. Князь Ипполит стоял возле хорошенькой беременной княгини и упорно смотрел прямо на нее в лорнет.
– Идите, Annette, вы простудитесь, – говорила маленькая княгиня, прощаясь с Анной Павловной. – C"est arrete, [Решено,] – прибавила она тихо.
Анна Павловна уже успела переговорить с Лизой о сватовстве, которое она затевала между Анатолем и золовкой маленькой княгини.
– Я надеюсь на вас, милый друг, – сказала Анна Павловна тоже тихо, – вы напишете к ней и скажете мне, comment le pere envisagera la chose. Au revoir, [Как отец посмотрит на дело. До свидания,] – и она ушла из передней.
Князь Ипполит подошел к маленькой княгине и, близко наклоняя к ней свое лицо, стал полушопотом что то говорить ей.
Два лакея, один княгинин, другой его, дожидаясь, когда они кончат говорить, стояли с шалью и рединготом и слушали их, непонятный им, французский говор с такими лицами, как будто они понимали, что говорится, но не хотели показывать этого. Княгиня, как всегда, говорила улыбаясь и слушала смеясь.
– Я очень рад, что не поехал к посланнику, – говорил князь Ипполит: – скука… Прекрасный вечер, не правда ли, прекрасный?
– Говорят, что бал будет очень хорош, – отвечала княгиня, вздергивая с усиками губку. – Все красивые женщины общества будут там.
– Не все, потому что вас там не будет; не все, – сказал князь Ипполит, радостно смеясь, и, схватив шаль у лакея, даже толкнул его и стал надевать ее на княгиню.

Чёрные дыры привлекают внимание физиков и астрономов поскольку представляют собой уникальную естественную лабораторию для изучения гравитационных эффектов, которые мы не можем увидеть на Земле. Многие учёные занимались на протяжении столетия изучением погибших звёзд, коими являются чёрные дыры. Но самым известным из них стал британский космолог из Кэмбриджского университета Стивен Хокинг (Stephen Hawking).

Будучи сторонником квантовой механики, Хокинг изучает чёрные дыры с точки зрения именно квантовых моделей, пытаясь с их помощью объяснить классико-механические явления и проявления Теории относительности Эйнштейна.

Изучение чёрных дыр в первую очередь упирается в понятие горизонта событий — некой гипотетической сферы вокруг точки гравитационной сингулярности , за пределы которой ничто не может выйти. И под "ничто" космологи подразумевают и материю, и энергию, и даже информацию.

О последнем стоит упомянуть подробнее. В 2012 году физик-теоретик Джо Полчински (Joe Polchinski) из Института теоретической физики в Санта-Барбаре подробно описал парадокс "огненной стены" и феномен исчезновения информации в чёрной дыре , что невозможно в принципе, согласно законам квантовой механики. В ответ на это Хокинг развил тему, выложив свою научную статью под причудливым названием "Сохранение информации и прогноз погоды для чёрных дыр" на сайте препринтов arXiv.org.

В своей новой работе космолог ставит под большое сомнение само существование горизонта событий. Вместо этого он вводит новый термин — "видимый горизонт" (apparent horizon), подразумевая, что мнимая сфера лишь временно удерживает материю и энергию, но в конечном счёте выпускает их, хоть и в искажённом виде.

"Согласно классической теории, из горизонта событий выхода нет. Но квантовая теория допускает выход энергии и информации из чёрной дыры. Правда, к сожалению, кроется лишь в единой теории, которая объединяла бы квантовую механику и теорию гравитации, а мы, учёные, никак не можем её сформулировать", — комментирует Хокинг свою идею.

Чёрные дыры вообще могут не иметь горизонта событий

Физики любят рассказывать о чёрных дырах с помощью следующего мысленного эксперимента: что было бы с космонавтом, если бы он случайно приблизился к чёрной дыре на критическое расстояние? Сторонники классической механики говорят, что он бы незаметно прошёл через горизонт событий, после чего бы его стало засасывать внутрь, при этом несчастного бы растянуло в длинную макаронину, атом за атомом. А затем он бы оказался упакован в бесконечно плотное ядро чёрной дыры — точку сингулярности.

Полчински обнаружил, что квантовая механика выдаёт совершенно другую версию развития событий. Горизонт событий, по квантово-механическим моделям, должен представлять собой крайне высокоэнергетическую зону, нечто вроде огненной стены, которая поджарила бы горе-космонавта до хрустящей корочки.

Но такой сценарий возмутил бы Эйнштейна: согласно Общей теории относительности, гипотетический наблюдатель будет одинаково воспринимать законы физики как в свободном полёте через галактику, так и при падении в чёрную дыру. Хокинг предложил третий вариант, который математически прост и не "удивляет" квантовую механику или Общую теорию относительности.

Идея проста: по Хокингу, горизонта событий и вовсе не существует. Квантовые эффекты, возникающие вблизи чёрной дыры, вызывают резкие пространственно-временные флуктуации, и эти колебания настолько велики, что строгая граница, вроде горизонта событий, просто не может возникнуть.

Так называемый "видимый горизонт", альтернатива горизонту событий, представляет собой некую поверхность, которая сдерживает лучи света, пытающиеся покинуть чёрную дыру. Это явление в определённом смысле совпадает с горизонтом событий, однако между двумя понятиями всё же есть разница. Если и та, и другая граница, не будет выпускать за свои пределы свет, то горизонт событий будет со временем сокращаться, а видимый горизонт — разбухать.

По законам классической механики, космонавта, приблизившегося к чёрной дыре, растянет как макаронину, а затем атом за атомом упакует в точку гравитационной сингулярности

Последнее очевидно, чем больше материи поглотит чёрная дыра, тем крупнее она станет и, соответственно, расширятся её границы. А оседание горизонта событий Хокинг объяснил ещё в 1974 году, когда ввёл понятие излучение Хокинга : некоторые частицы всё же покидают иногда пределы погибшей звезды, но удаётся это преимущественно фотонам. А чем меньше частиц содержит чёрная дыра, тем уже её горизонт событий.

Коллеги Хокинга, не принимавшие участия в его работе, отмечают, что такими идеями космолог опровергает существование чёрных дыр как таковых. Во-первых, по своей природе видимый горизонт может в один прекрасный день исчезнуть, и всё, что было когда-либо захвачено чёрной дырой, выйдет в открытый космос, пусть и не в первоначальной форме.

А во-вторых, отсутствие горизонта событий ставит под сомнение наличие гравитационной сингулярности в центре чёрной дыры. Вместо классических представлений о судьбе космонавта или любого предмета у чёрной дыры, материя будет лишь временно храниться за видимым горизонтом и постепенно двигаться к центру под действием гравитации ядра. Но ничто не окажется "упакованным" в точку сингулярности, а информация о материи и вовсе покинет пределы чёрной дыры вместе с излучением Хокинга, хотя и в крайне искажённом виде.

Полчински, ознакомившись со статьёй Хокинга, выразил сомнение по поводу существования в природе чёрных дыр без горизонта событий. Флуктуации пространства-времени, которые требуются для стирания этой границы, должны быть слишком мощными, а ничего подобного астрофизики пока не наблюдали. Эйнштейн описывал чёрные дыры почти как обычные источники мощного гравитационного поля, и в этом смысле его теория намного проще, хоть и не учитывает многих других физических аспектов.

Почти сто лет назад американский астроном Весто Слайфер (Vesto Slipher, 1875-1969) обнаружил, что линии в спектрах излучения большинства галактик смещены в красную сторону. В то время космологических теорий, которые могли бы объяснить этот феномен, еще не было, равно как не существовало и общей теории относительности (ОТО). Слайфер истолковал свои наблюдения, опираясь на эффект Доплера. Получилось, что галактики удаляются от нас, причем с довольно большими скоростями.

Позже Эдвин Хаббл (Edwin Hubble, 1889-1953) обнаружил, что чем дальше галактика находится от нас, тем больше наблюдаемый сдвиг спектральных линий в красную сторону (то есть красное смещение) и, следовательно, с тем большей скоростью она улетает от Земли. Сейчас данные по красному смещению получены для десятков тысяч галактик, и почти все они удаляются от нас. Именно это открытие и позволило ученым заговорить о расширении Вселенной и о нестационарности нашего мира.

Альберт Эйнштейн в поиске решений своих знаменитых уравнений, описывающих сосуществование энергии и гравитации (то есть материи и кривизны четырехмерного пространства-времени), пренебрег фактом расширения и представил миру в первых публикациях по ОТО стационарную, бесконечную и неизменную Вселенную. Более того, когда российский математик и геофизик А.А. Фридман (1888-1925) нашел «расширяющиеся» и «пульсирующие» решения для уравнений, Эйнштейн долго не признавал такой сценарий развития Вселенной и правомочность найденных решений. Однако дальнейшие математические исследования уравнений, которые называются системой уравнений Гильберта - Эйнштейна и описывают весь мир в целом, показали, что Александр Фридман прав и Вселенная совсем не обязана быть бесконечной и стационарной.

Теория и эксперимент стали соответствовать друг другу, а заодно выяснилось, что удаляющиеся галактики не движутся, подобно тому, как мы ходим по комнате или как Луна вращается вокруг Земли, а удаляются от нас из-за расширения самого пространства. Обычно это иллюстрируют с помощью растягивающейся резиновой пленки или воздушного шарика. Здесь, впрочем, тоже есть некий нюанс, который часто сбивает многих с толку. Если нарисовать галактику на шарике и начать его надувать, то ее изображение тоже будет увеличиваться. При расширении Вселенной такого не происходит. Галактика - это гравитационно-связанная система, она не участвует в космологическом расширении. Так что в иллюстрации с шариком галактику лучше не рисовать на нем, а приклеить «ее» к шарику в одной точке. Но поскольку на самом деле галактики ни к чему не приклеены и могут двигаться в пространстве, то еще лучше представлять их как капли воды на поверхности раздувающегося шарика. Капли-галактики в этом случае не расширяются, но могут свободно перемещаться по нему с некоторой собственной скоростью.

Для более наглядного представления процесса расширения удобно ввести систему отсчета, нарисовав на шаре координатную сетку. Если бы галактики были «приклеены» к такому раздувающемуся шарику-пространству, то их координаты не изменялись бы, и расширение сводилось бы лишь к модификации свойств самой системы координат. Однако реальное расстояние между галактиками, измеряемое, например, с помощью линейки, света или радиолокатора, при этом все же увеличивается, поскольку размер линейки не изменяется при космологическом расширении, а скорость света и радиоволн не зависит от того, насколько растянулась пленка пространства-шарика. В этом плане наше пространство совсем не похоже на резиновую пленку, утончающуюся при растяжении и заставляющую упругие волны бегать по ней с возрастающей скоростью.

Согласно ОТО пространство расширяется, рождаясь как бы из ничего, в силу тех законов, которым оно подчиняется. Именно этот процесс, с учетом свойств всего того, что находится в пространстве, и описывают уравнения Гильберта - Эйнштейна. Поведение света, атомов, молекул, твердых тел, жидкостей и газов слабо зависит от локальной кривизны пространства-времени и существенно изменяется только в особо сильных гравитационных полях, наподобие тех, что встречаются вблизи черных дыр. В большей же части Вселенной, как полагают ученые, основные процессы происходят почти так же, как и на Земле, и получается, что галактики вполне реально удаляются друг от друга из-за расширения пространства, в котором они находятся. Космические корабли движутся, а свет распространяется по тому пространству, которое есть, и если его станет больше, это будет заметно, хотя бы по тому времени, которое им придется затратить, путешествуя из одной галактики в другую.

Превращения фотона

Свет всегда излучается с некоторой определенной длиной волны и энергией кванта. Но, распространяясь в расширяющейся Вселенной, он как бы растягивается, «краснеет». В случае сжатия Вселенной наблюдался бы обратный эффект - посинение. Если когда-то давно какая-либо галактика излучила фотон с некой длиной волны, а сейчас мы его видим, как фотон с другой длиной волны, то, исходя из красного смещения, равного разности этих длин, поделенной на исходную длину волны фотона, можно сказать, во сколько раз за это время растянулась Вселенная. Для этого нужно к красному смещению прибавить единицу: если оно равно 2, то, значит, Вселенная растянулась в три раза с того момента, когда был излучен фотон.

Важно отметить, что при этом сравниваются размеры (космологи говорят о масштабном факторе) в момент излучения и в момент приема фотона. А вот то, что происходило между этими моментами, не так существенно: Вселенная могла раздаваться с постоянной скоростью, могла расширяться то быстрее, то медленнее, могла вообще в какой-то момент сжиматься. Важно только то, что за это время все космологические расстояния возросли в три раза. Именно об этом говорит красное смещение, равное 2.

«Растяжение» фотона по дороге от источника к наблюдателю принципиально отличается от обычного эффекта Доплера. Рассмотрим движущийся с некоторой скоростью космический корабль, излучающий световые волны во все стороны. В этом случае наблюдатели, находящиеся впереди корабля, будут видеть посиневшие фотоны, то есть фотоны с большей энергией, а наблюдатели позади увидят покрасневшие фотоны с меньшей энергией. В сумме же энергия всех фотонов будет неизменной - сколько джоулей корабль излучил, столько же все наблюдатели и уловили. В космологии все по-другому. Излучающая во все стороны галактика для находящихся по разные стороны (но на равном расстоянии) наблюдателей будет выглядеть одинаково покрасневшей. Хотя с точки зрения обычной логики такое рассуждение кажется странным. И в этом плане космологическое красное смещение похоже на гравитационное, при котором фотоны краснеют, преодолевая поле притяжения испустившей их звезды.

Таково свойство Вселенной: кинетическая энергия всех частиц и волн - галактик, пылинок, протонов, электронов, нейтрино, фотонов и даже гравитационных волн уменьшается из-за расширения пространства. Это явление напоминает некоторые эффекты, наблюдаемые в нестационарных и незамкнутых системах. Известно, что если в системе фундаментальные константы зависят от времени, то энергия не сохраняется. Например, в мире с периодически изменяющейся гравитационной постоянной можно было бы поднимать груз, когда постоянная мала, и сбрасывать - когда велика. В результате получился бы выигрыш в работе, то есть стала бы возможной добыча энергии за счет непостоянства гравитационной постоянной.

В нашем мире от времени зависит сама метрика пространства, поскольку Вселенная расширяется. Находясь в нестационарном мире, можно констатировать, что энергия фотона в расширяющейся Вселенной падает. К счастью, все глобальные физические изменения у нас происходят крайне медленно и на обычной жизни никак не сказываются.

Линейка для Вселенной: Следует заметить, что любые связанные объекты не участвуют в космологическом расширении. Длина эталонного метра, находящегося в Палате мер и весов (и его современного лазерного аналога), не изменяется с течением времени. Именно поэтому и можно говорить об увеличении физического расстояния между галактиками, которое можно этим (постоянным!) метром измерить. Наиболее близкое к общепринятому пониманию - это так называемое собственное расстояние. Для его определения необходимо, чтобы множество наблюдателей, расположенных на линии, соединяющей две галактики, провели одновременное измерение расстояний, отделяющих их друг до друга, с помощью обычных линеек. Затем все эти данные надо передать в единый центр, где, сложив все результаты, можно будет определить, каким было расстояние во время измерения. Увы, но к моменту получения результата оно уже изменится за счет расширения. К счастью, астрономы научились по видимому блеску источников известной светимости вычислять собственное расстояние. Очень часто о расстоянии говорят в терминах красного смещения. Чем больше красное смещение, тем больше расстояние, причем для каждой космологической модели выведены свои формулы, связывающие эти две величины. Например, квазар GB1508+5714 с красным смещением 4,3 в общепринятой сейчас модели Вселенной расположен на расстоянии 23 миллиарда световых лет от нашей Галактики. Приходящий сегодня от него свет был испущен всего через миллиард лет после Большого взрыва и находился в пути около 13 миллиардов лет. Возраст Вселенной в этой модели составляет 14 миллиардов лет.

Скорость удаления галактики за счет космологического расширения может быть любой, в том числе и больше скорости света. Дело в том, что она при этом никуда не движется по пространству (ее координаты на раздувающемся шарике не меняются). Кинетическая энергия с этой скоростью не связана, поэтому при замедлении расширения Вселенной никакая энергия не выделяется. Галактика, разумеется, может иметь и «обычную» скорость, например, за счет гравитационного взаимодействия с другими галактиками. В космологии такую скорость называют пекулярной. Разумеется, в реальной жизни астрономы наблюдают суммарный эффект: галактика имеет красное смещение, связанное с космологическими процессами, а в дополнение к этому фотоны испытывают красное (или синее) смещение за счет эффекта Доплера, связанного с пекулярной скоростью. Иногда добавляется еще и гравитационное красное смещение, вызванное собственным полем тяжести светящегося объекта. Разделить эти три эффекта для индивидуального источника нелегко. Заметим, что для небольших во вселенском масштабе расстояний формула, связывающая красное смещение и скорость разбегания, совпадает с формулой для обычного эффекта Доплера. Порой это даже приводит к путанице, поскольку физика эффектов различна, и для больших расстояний формулы сильно отличаются. Красное смещение является очень удобной и общепринятой величиной для обозначения того, как далеко в пространстве и как давно во времени произошло то или иное событие, наблюдаемое сегодня земными астрономами.

Как же это возможно?

Часто даже профессионалы (физики, астрономы) на вопрос: «Можно ли наблюдать галактику, которая и в момент излучения ею света, и в момент приема ее сигнала на Земле удаляется от нас быстрее света?» - отвечают: «Конечно, нельзя!» Срабатывает интуиция, основанная на специальной теории относительности (СТО), которую один космолог метко назвал «тени СТО». Однако этот ответ неправильный. Оказывается, все-таки можно. В любой космологической модели скорость убегания линейно растет с расстоянием. Это связано с одним из важнейших принципов - однородностью Вселенной. Следовательно, существует такое расстояние, на котором скорость убегания достигает световой, а на больших расстояниях она становится сверхсветовой. Та воображаемая сфера, на которой скорость убегания равна световой, называется сферой Хаббла.

«Как же это возможно! - воскликнет читатель. - Неужели специальная теория относительности неверна?» Верна, но противоречия здесь нет. Сверхсветовые скорости - вполне реальны, когда речь идет не о переносе энергии или информации из одной точки пространства в другую. Например, солнечный зайчик может двигаться с любой скоростью, нужно только установить экран, по которому он бежит, подальше. СТО «запрещает» лишь передачу информации и энергии со сверхсветовой скоростью. А для переноса информации нужен сигнал, распространяющийся по пространству, - расширение самого пространства тут ни при чем. Так что в нашем примере про удаляющиеся галактики с теорией относительности все в полном порядке: со сверхсветовой скоростью они удаляются лишь от земного наблюдателя, а по отношению к окружающему пространству их скорость может вообще быть нулевой.

Удивительно то, что мы можем увидеть галактики, улетающие от нас быстрее света. Это возможно потому, что скорость расширения Вселенной не была постоянной. Если в какой-то период она уменьшится и свет сможет «добежать» до нашей Галактики, то мы увидим сверхсветовой источник. Этот пример прекрасно иллюстрирует то, что судьба фотона зависит от того, как ведет себя Вселенная во время его движения по ней. Допустим, что в момент излучения фотона галактика-источник удалялась от нас быстрее света. Тогда, хотя фотон и был испущен в нашу сторону, двигаясь по растягивающейся координатной сетке, он будет удаляться от нас за счет раздувания Вселенной. Если темп расширения уменьшается, то вполне возможно, что в какой-то момент скорость убегания (в том месте, где в это время находится фотон) станет меньше скорости света. Тогда свет начнет приближаться к нам и в конце концов может достичь нас. Сама галактика-источник в момент «разворота» света удаляется от нас все еще быстрее света (потому что она гораздо дальше фотона, а скорость растет с расстоянием). В момент приема фотона ее скорость тоже может быть больше световой (то есть она будет находиться за сферой Хаббла), но это не помешает ее наблюдению.

Большой бабах:

Во Вселенной, заполненной веществом (такая Вселенная всегда расширяется с замедлением), можно детально рассчитать все эти критические параметры. Если бы наш мир был таким, то галактики, для которых красное смещение больше 1,25, излучили принимаемый нами сейчас свет в тот момент, когда их скорость была больше скорости света. Современная сфера Хаббла для простейшей модели Вселенной, заполненной веществом (то есть без вклада темной энергии), имеет радиус, соответствующий красному смещению, равному 3. И все галактики с большим смещением начиная с момента излучения до нашего времени удаляются от нас быстрее света.

Граница наблюдений

В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая - в пространстве-времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах. Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст, то свет от далеких объектов просто еще не успел до нас дойти. Этот горизонт все время расширяется: время идет, и мы «дожидаемся» сигналов от все более и более далеких галактик. Горизонт частиц удаляется, он как бы убегает от нас со скоростью, которая может быть и больше скорости света. Благодаря этому мы видим все больше и больше галактик.

Заметим, что современное расстояние до «галактик на краю наблюдаемой Вселенной» нельзя определять как произведение скорости света на возраст Вселенной. В любой модели расширяющейся Вселенной это расстояние будет больше такого произведения. И это вполне понятно. Такое расстояние прошел сам свет, но Вселенная за это время успела расшириться, поэтому современное расстояние до галактики больше пути, пройденного светом, а в момент излучения это расстояние могло быть существенно меньше этого пути.

Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение.

Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению - 3х107. Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» ($10^{-43}$ секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента Большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.

Горизонт событий - это поверхность в пространстве-времени. Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в описанной выше замедляющейся Вселенной горизонта событий нет - любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Можно представить себе это как межгалактическую трансляцию футбольного матча, происходящего в далекой галактике, сигнал которой мы никогда не получим. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая - модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва , но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант - расширение с ускорением. В таком случае некоторые нелюбители футбола попросту «убегут от света»: для них скорость расширения будет сверхсветовой.

Причуды черной королевы

Получается, что расширяющаяся Вселенная в чем-то похожа на страну Черной королевы, в которую попала Алиса в сказке Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье». Там, чтобы устоять на месте, нужно было очень быстро бежать.

Допустим, что имеется галактика, обладающая большой собственной скоростью, направленной на нас. В этом случае в ее полное спектральное смещение будут вносить вклад два эффекта: космологическое красное расширение и синее смещение из-за эффекта Доплера за счет ее собственной скорости.

Первый вопрос такой: как будет изменяться расстояние до галактики с нулевым смещением спектра? Ответ: галактика будет от нас удаляться. Второй вопрос: представим себе галактику, расстояние до которой не изменяется из-за того, что ее собственная скорость полностью скомпенсировала эффект расширения (это как раз похоже на Алису, бегущую по стране Черной королевы). Галактика перемещается по нашей нарисованной координатной сетке с такой же скоростью, с какой сетка раздувается. Каким будет смещение спектра такой галактики? Ответ: смещение будет синим. То есть линии в спектре такой галактики будут смещены в сторону более коротких волн.

Побеждающая гравитация: Говоря о «большой Вселенной», часто полагают, что вещество равномерно распределено в пространстве. В первом приближении это верно. Однако не стоит забывать и о таких «возмущениях», как галактики и их скопления. Они образуются из первичных флуктуаций плотности. Если в равномерно распределенном веществе возникает шар с чуть большей плотностью, то, не учитывая эффектов, связанных с температурой, можно сказать, что шар начнет сжиматься, а плотность вещества - расти. В простейшей модели расширяющейся Вселенной, в которой вклад темной энергии равен нулю, ничего принципиально не изменяется. Любое возмущение плотности в такой пылевой Вселенной (для реального газа, а не пыли нужно, чтобы масса возмущения превзошла некоторую критическую величину - так называемую массу Джинса) приведет к тому, что вещество «выпадет» из расширения Вселенной и образует связанный объект. Если же вклад темной энергии не нулевой, то флуктуации плотности с самого начала должны иметь величину больше некоторой критической, иначе контраст плотности не успеет возрасти до нужного значения, и вещество не «выпадет» из Хаббловского потока. Подобно тому, как энергия фотона уменьшается за счет расширения, кинетическая энергия частичек пыли также будет уменьшаться со временем по мере расширения Вселенной. Из-за этого, пока флуктуация не отделилась полностью от общего расширения Вселенной, процесс «схлопывания» возмущения будет идти медленнее, чем без учета расширения. Вместо экспоненциального роста плотности будет наблюдаться степенной ее рост. Как только контраст плотности достигнет некоторого критического значения, флуктуация как бы «забудет» про расширение Вселенной.

Столь неожиданное поведение спектра излучения обусловлено тем, что здесь имеют место два физических эффекта, описывающихся разными формулами. Для источника, находившегося на сфере Хаббла, в момент излучения в простейшей модели замедляющейся Вселенной красное смещение равно 1,25, а скорость убегания равна скорости света. Значит, чтобы оставаться на неизменном расстоянии от нас, источник должен иметь собственную скорость, равную скорости света. А к собственным (пекулярным) скоростям надо применять формулу для релятивистского эффекта Доплера, которая для скорости источника, равной скорости света и направленной на нас, дает бесконечно большое синее смещение. Смещение спектральных линий за счет эффекта Доплера оказывается значительнее космологического и для галактик на меньших расстояниях. Таким образом, покоящийся источник будет иметь синее смещение, а звезда с нулевым смещением будет от нас удаляться.

Конечно, галактики не могут иметь околосветовые собственные скорости. Зато некоторые квазары и галактики с активными ядрами порождают джеты - струи вещества, бьющие на расстояния в миллионы световых лет. Скорость вещества в такой струе может быть близка к скорости света. Если струя направлена на нас, то за счет эффекта Доплера мы можем увидеть синее смещение. Кроме того, вещество должно вроде как приближаться к нам. Однако в свете того, что было написано выше, второй вывод не столь очевиден. Если источник находится достаточно далеко, то космологическое расширение все равно «унесет» вещество от нас, даже если его скорость очень близка к световой и струя видна нам «посиневшей». Только в космологии возникает такая абсурдная на первый взгляд ситуация, когда удаляющийся от нас объект имеет синее смещение. Например, квазар GB1508+5714, имеющий красное смещение 4,3, удаляется от нас в 1,13 раза быстрее света. Значит, вещество его джета, двигающееся в нашу сторону с большой собственной скоростью, удаляется от нас, так как скорость частиц не может превосходить скорость света.

Неизвестное будущее

Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий. Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно - свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий: все ускоряющееся расширение «утянет» туда соответствующие им точки на координатной сетке.

Тут, кстати, хорошо видна разница между горизонтом частиц и горизонтом событий. Те галактики, что были под горизонтом частиц, так под ним и останутся, свет от них будет продолжать доходить. Но чем ближе становится скорость галактики к скорости света, тем больше времени нужно свету, чтобы дойти до нас, и все события в такой галактике покажутся нам растянутыми во времени. Условно говоря, если в такую галактику поместить часы, которые к моменту ее ухода за горизонт событий должны показывать 12 часов дня, то земным наблюдателям будет виден бесконечно замедляющийся ход этих часов. Сколько бы мы ни смотрели (теоретически такая галактика «с часами» никогда не исчезнет с нашего небосклона), мы никогда не увидим стрелки часов ровно на «двенадцати» - последний оборот она будет совершать бесконечно долго по нашим собственным часам. Подождав длительное время, мы увидим то, что происходило в галактике (по ее часам) в 11 ч 59 м, в 11 ч 59 м 59 с и так далее. Но то, что произошло на ней после «полудня», останется скрытым от нас навсегда. Это очень похоже на наблюдение за часами, падающими в черную дыру.

Аналогично, возможно, рассуждает и наблюдатель в этой далекой галактике. Он сейчас видит нашу галактику в ее прошлом, но с какого-то момента времени наша история станет недоступной для него, поскольку наши сигналы перестанут доходить до этой галактики. Забавно, что для общепринятого набора космологических параметров такие галактики находятся в общем-то недалеко. Их красное смещение должно быть более 1,8. То есть они могут находиться даже внутри сферы Хаббла, но послать им весточку человечество уже опоздало.

Вот такие парадоксальные с точки зрения здравого смысла явления происходят в нашей Вселенной. Их необычность связана с тем, что привычные понятия скорости, расстояния и времени в космологии приобретают несколько иной смысл. К сожалению, пока ученые не пришли к какому-то общему мнению о том, какой жизнью живет наша Вселенная и что с ней в принципе может случиться. Ведь даже специалистам расширение границ здравого смысла дается очень непросто.

Сергей Попов, кандидат физико-математических наук
Алексей Топоренский, кандидат физико-математических наук