第12部分(2 / 4)

小說:黑洞 作者:蒂帆

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

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