黑洞

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識這些概念。它們並不意味著，在黑洞內時間座標變得像外部的空間座標，因而可以逆轉時間，違反因果律。時間座標由於視界而改變了性質，不再表示真實的時間，不論是在黑洞之內或之外都是如此（在黑洞之外它表示的是由無限遠處的鐘測量的表觀時間）。唯一有物理意義的時間是朝奇點自由下落的鐘所測量的原時。在黑洞內部原時只依賴於與中心奇點的距離座標，隨後者的減小而增長。這就像黑洞外部的時間總是朝向未來流駛，唯一的不同是這裡的未來是有終極的，就是黑洞中心的奇點。自由下落的飛船從越過視界到落入奇點只經歷有限的原時間隔，無論其發動機的功率和航行的方向如何。黑洞質量越大，這段“緩死”時間就越長。對10Mgu黑洞它只是10－’秒，而對隱藏在星系核心的巨型黑洞則探索工作可以進行1小時。第十章　照明

那黑色熔爐的中央，那送出無數太陽的地方，無窮的魔力在那裡蘊藏。

——阿瑟·裡姆包德（　Arthur　Rhobaud）

照明問題

表示一個物體的最好方式之一是由拍照來獲得它的影象。我們能夠想象給黑洞拍照嗎？

這個問題看似荒唐，因為黑洞按其定義不能發出光來，但是，事實上，所有溫度足夠低的物體自身都不具有可探測的輻射源，也就是說和黑洞一樣不發光。這些物體要能被我們看見，就必須被照明。行星的核心不產生熱核能量，如果不是其表面反射太陽光，它們在夜空裡是不可見的（木星這顆太陽系的最大行星，有一種內部能源，由於其核心的輕度收縮，原子氫轉變成金屬氫，形成像冰那樣的固體晶格。這種相變釋放出少量能量，使木星自身能發光，這個光度稍大於反射的太陽光）。

在這個意義上，黑洞也同行星一樣。一個不被照明的黑洞是不可見的，但在適當的光照下也可以得到它的影象，給黑洞照相是能辦到的！

自然界的任何一個物體都以某種方式吸收和反射電磁輻射。圖川所示的實驗用平行光束來照射幾個“理想”物體，並觀察與人射方向垂直的方向上的反射光，所得影象的型別取決於物體的性質，即物體如何與電磁波反應。

在完全黑體的情況（例如一隻塗了完全吸收光的黑顏料的球），所有光線都被吸收，沒有任何反射，觀察者什麼也看不到。

對於一個粗糙的表面（如月亮和行星），光線被各向同性地反射，就是說在所有方向上的反射強度都相等，因而在表面上每一點都可以有一條光線相對於人射方向偏轉90”而到達觀察者那裡，結果就是人們熟悉的半月影象（圖30b）。

第三種物體是完全反射的金屬球。這時表面上只有一個點能使一條人射光線偏轉90”而被觀察者接收到。該球的影象縮成一個光點，座落在該球實際半徑0廠07倍的位置一L（圖30C）。

最後一種情況是黑洞。與前三者的根本區別是，黑洞並沒有一個光線可以撞擊並被反射的物質性硬表面，使光線偏轉的是黑洞的引力場，因此黑洞的勢力範圍就不只是其視界，而是延伸到無窮遠。光線的軌道並不是因與一個表面的碰撞而改變，而是被引力場所彎曲。在這個照明實驗中，黑洞的引力場使幾條光線朝觀察者偏轉。黑洞的影象由一系列照明點組成（圖30d）。在左邊，黑洞史瓦西半徑的2．96倍，已被偏轉90”的光線形成“主級”影象；右邊的261倍史瓦西半徑處，多偏轉了半個圓的光線（共偏轉270”）形成“次級”影象。透過對與光線軌道對應的史瓦西時空測地線的完整計算表明，黑洞有著無數個影象，第三個影象對應著偏轉450”的光線，依此類推，每次都多偏轉半個圓。但是實際上從第三級起的影象強度都很低，並且很靠近主級或次級影象，因而不能分辨出來。

因此可以得出結論，在各種本身不發光的天體中，黑洞遠不是最暗的，對它們的探測比對黑體球或高度反射的球要容易。

黑洞的光輪

上述實驗還可以改變成另一種形式，即也用平行光束照射黑洞，但在同方向上觀察反射回來的光，結果如圖對所示。

黑洞的像被放大了，像的半徑為實際半徑的26倍。這是因為入射光的很大一部分被黑洞捕獲，不僅是那些直接射入視界的光，而且所有在距中心5．ZM以內經過的光也都落入黑洞（黑洞的實際半徑是ZM），所形成的影象就是一個黑色的盤面被一系列同心光環所圍繞。這個結果很像傳統光學中熟知的光輪效應：當陽光被霧裡的無數小水滴散射時，一個人有時能看到自己頭