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黑洞-第12部分
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由信号接收间隔的延长所显示的表现时间冻结，也由离开恒星的辐射表观频率的减小表现出来，因为频率就是光在每秒钟振荡的次数（这也是一种爱因斯坦效应，已在第3章中谈到）。如果辐射的表现频率减小，其波长就会增大，也就是表现为红移，因为波长最大的可见光是红色的（见表1）。远处的天文学家将看到不仅是坍缩进行得越来越慢，而且发出的辐射越来越红，越来越暗弱。
图28足时间冻结的一个更别致的描绘。一只飞船受命去探索一个黑洞的内部——当然最好是一个大黑洞，因而飞船不至于太快地就被潮汐力摧毁。就在飞船一去不复返地穿过视界的时刻，指挥员向全人类致以庄严的敬礼，他的告别由电磁传给遥远地球上的观众。
影片A是按宇航员原时的相等间隔拍摄的系列图像，这是飞船上的同事们看到的情景。按照飞船上的钟，指挥员的敬礼在第135600秋时开始，在第135720秒时结束。穿越视界是在敬礼过程之中，没有任何特别现象发生，在飞船上的探险家看来，黑洞的边界没有任何神奇之处。
影片B是遥远观众在屏幕上接收到的系列图像，按表观时间的等间隔顺序排列。开始时它与影片A是一样的，但随着飞船向视界趋近，它越来越慢下来。远处的观众接连收到几乎同样的图像，宇航员超过视界时的姿势似乎被永远冻结住了。由于频率的移动和强度的减弱，事实上图像会很快变得弱到看不见，观众对飞船在黑洞内的航行是一无所知的。飞船正好越过视界时的图像能够传到远处，而所有后继的图像都不可能从黑洞中传出，而是落向奇点。
时间冻结是黑洞的一个引人注目的特征，以至于冻结星这个词曾被用来（首先是由俄国天体物理学家）称呼黑洞。这个词最后还是被放弃了，因为它毕竟只是反映了黑洞物理的一个较次要的方面。如果外部观测者要到无限远的将来才能看到视界，那么也就根本谈不上对黑洞内部的探索了，而广义相对论使我们能够探索黑洞内部（不必担心潮汐力）。
颠倒的世界
进入此间者，万念皆抛弃。
——T（Dame）《地狱篇》
其他致密星如白矮星和中子星，引力坍缩已经被物质的内部阻抗所制止，并且有一个固体表面。黑洞与它们不同，一旦史瓦西半径已被越过，视界已经形成，就没有任何力量能够阻挡坍缩。所以，黑洞内部是空空荡荡的，只是在中心有一个奇点（当然，这种推断也许过于简单，它忽略了黑洞内部物质的动力学行为，第19章将对此作进一步的考察）。
对于那些已经觉得难以接受黑洞的极高平均密度的人说，更糟的是，理论上黑洞的所有质量都集中在一个数学体积为零的中心奇点上。在探讨这个现代物理学尚未解决的中心奇点问题之前，先来看看其邻近区域的情况。
因为时空在坍缩，所以这个区域是运动着的，也就是说，在黑洞内部保持静止足不可能的，如图27所示。要在这个区域保持静止，就必须有超过光速的速度（距离r不变的世界线与时间轴平行，在黑洞内部该线处于光锥之外），但是相对论禁止任何比光速更快的运动，这条定律在黑洞内部同在其外部一样适用。在观界以内唯一允许的轨道，即限制在光锥内部的轨道，是不可挽回地向中心奇点集中。
可以把黑洞比作一个“颠倒的世界”，这种说法可能会令人迷惑，但请注意厂面的比拟。在黑洞的外部区域，例如我们所居住的时空区域，在三维空间中任何方向上的运动都是可能的，无论是前进或后退，向左或向右，朝上或朝下；但是，时间只朝一个方向流动，即从过去到将来，这足一个“指向”坐标，沿着它的流动就被称为因果律（见“光使时空联姻”一节）。而在黑洞内部，角色颠倒过来了，用于描述与黑洞中心距离的坐标（由视界处的ZM到奇点处的零）变成了指向坐标，而时间坐标却变成像黑洞外部的空间坐标那样。在黑洞内，空间变得不可逆转，即所有物质都被迫只能缩短空间坐标，正如在黑洞外所有事件都必然朝时间增长的方向进行一样。
然而，必须小心地认识这些概念。它们并不意味着，在黑洞内时间坐标变得像外部的空间坐标，因而可以逆转时间，违反因果律。时间坐标由于视界而改变了性质，不再表示真实的时间，不论是在黑洞之内或之外都是如此（在黑洞之外它表示的是由无限远处的钟测量的表观时间）。唯一有物理意义的时间是朝奇点自由下落的钟所测量的原时。在黑洞内部原时只依赖于与中心奇点的距离坐标，随后者的减小而增长。这就像黑洞外部的时间总是朝向未来流驶，唯一的不同是这里的未来是有终极的，就是黑洞中心的奇点。自由下落的飞船从越过视界到落入奇点只经历有限的原时间隔，无论其发动机的功率和航行的方向如何。黑洞质量越大，这段“缓死”时间就越长。对10Mgu黑洞它只是10－’秒，而对隐藏在星系核心的巨型黑洞则探索工作可以进行1小时。第十章 照明
那黑色熔炉的中央，那送出无数太阳的地方，无穷的魔力在那里蕴藏。
——阿瑟·里姆包德（ Arthur Rhobaud）
照明问题
表示一个物体的最好方式之一是由拍照来获得它的图像。我们能够想象给黑洞拍照吗？
这个问题看似荒唐，因为黑洞按其定义不能发出光来，但是，事实上，所有温度足够低的物体自身都不具有可探测的辐射源，也就是说和黑洞一样不发光。这些物体要能被我们看见，就必须被照明。行星的核心不产生热核能量，如果不是其表面反射太阳光，它们在夜空里是不可见的（木星这颗太阳系的最大行星，有一种内部能源，由于其核心的轻度收缩，原子氢转变成金属氢，形成像冰那样的固体晶格。这种相变释放出少量能量，使木星自身能发光，这个光度稍大于反射的太阳光）。
在这个意义上，黑洞也同行星一样。一个不被照明的黑洞是不可见的，但在适当的光照下也可以得到它的图像，给黑洞照相是能办到的！
自然界的任何一个物体都以某种方式吸收和反射电磁辐射。图川所示的实验用平行光束来照射几个“理想”物体，并观察与人射方向垂直的方向上的反射光，所得图像的类型取决于物体的性质，即物体如何与电磁波反应。
在完全黑体的情况（例如一只涂了完全吸收光的黑颜料的球），所有光线都被吸收，没有任何反射，观察者什么也看不到。
对于一个粗糙的表面（如月亮和行星），光线被各向同性地反射，就是说在所有方向上的反射强度都相等，因而在表面上每一点都可以有一条光线相对于人射方向偏转90”而到达观察者那里，结果就是人们熟悉的半月图像（图30b）。
第三种物体是完全反射的金属球。这时表面上只有一个点能使一条人射光线偏转90”而被观察者接收到。该球的图像缩成一个光点，座落在该球实际半径0厂07倍的位置一L（图30C）。
最后一种情况是黑洞。与前三者的根本区别是，黑洞并没有一个光线可以撞击并被反射的物质性硬表面，使光线偏转的是黑洞的引力场，因此黑洞的势力范围就不只是其视界，而是延伸到无穷远。光线的轨道并不是因与一个表面的碰撞而改变，而是被引力场所弯曲。在这个照明实验中，黑洞的引力场使几条光线朝观察者偏转。黑洞的图像由一系列照明点组成（图30d）。在左边，黑洞史瓦西半径的2．96倍，已被偏转90”的光线形成“主级”图像；右边的261倍史瓦西半径处，多偏转了半个圆的光线（共偏转270”）形成“次级”图像。通过对与光线轨道对应的史瓦西时空测地线的完整计算表明，黑洞有着无数个图像，第三个图像对应着偏转450”的光线，依此类推，每次都多偏转半个圆。但是实际上从第三级起的图像强度都很低，并且很靠近主级或次级图像，因而不能分辨出来。
因此可以得出结论，在各种本身不发光的天体中，黑洞远不是最暗的，对它们的探测比对黑体球或高度反射的球要容易。
黑洞的光轮
上述实验还可以改变成另一种形式，即也用平行光束照射黑洞，但在同方向上观察反射回来的光，结果如图对所示。
黑洞的像被放大了，像的半径为实际半径的26倍。这是因为入射光的很大一部分被黑洞捕获，不仅是那些直接射入视界的光，而且所有在距中心5．ZM以内经过的光也都落入黑洞（黑洞的实际半径是ZM），所形成的图像就是一个黑色的盘面被一系列同心光环所围绕。这个结果很像传统光学中熟知的光轮效应：当阳光被雾里的无数小水滴散射时，一个人有时能看到自己头部的阴影被许多明亮的光环围绕着。
对于黑洞的光轮效应，只有较靠外的光环能被看到，而靠近黑洞的光环是不可能分辨出来的。
头和尾
刚才给出的这些实验并不只是一种智力测验，这是因为，如果黑洞确实存在，它们就很有机会被某种自然光源照亮。
对于一个黑洞或一颗行星来说，最显而易见的照明光源是一颗恒星。比如说，这颗恒星可以和黑洞一起束缚在～个双星系统里，但是，尽管这种系统在银河系里可能很多，但其中的黑洞是不能由照明效应来探测的，因为由反射光所形成的黑洞像会完全淹没在恒星自身直接像的强光里。
从观测的角度来说，一个有趣得多的情况是，照明光源是围绕着黑洞的一系列物质环，第四篇里将论证，许多黑洞周围确有这种物质构造，被称为吸积盘。土星的光环就是吸积盘的一个极好样本，不过那些光环是由石头和冰的微粒混合而成，而黑洞的吸积盘由热气体组成（另一个重要区别是，黑洞周围的吸积盘不断有新的气体补充进来，而上星的光环只是原初太阳系的遗迹）。气体缓慢地落入黑洞，就像旋涡中的水，气体在向黑洞下落的过程中，温度越来越高，并发出辐射，发光的吸积环就成了光源，照亮中心的黑洞。
图32描绘出一个环绕球形黑洞的圆形盘的轮廓。像是在盘面上方稍稍倾斜的方向上远距离处拍摄的。黑洞附近时空的强烈弯曲使圆盘的像放大和变形。上星光环看上去是一系列的椭圆，因为那是在近乎平直的时空里，而这里的像一分为二，主级像由盘的上表面发射的光线形成，偏转小于180”。第一个意外是，盘的全部上表面，无论是在黑洞前方还是背后的，包括在平直几何里被“正常地”遮掩的部分，都能被看到（从地球上看去，土星的环就被部分地遮掩）。
更惊人的是黑洞周围的时空弯曲使得盘的下表面也能被看到，这就是次级像，所以，同时观察吸积盘的上、下表面是可能的。
实际上，像有无数个，因为盘面发射的光可以环绕黑洞运行任意次数，再脱离其引力场并被远处观察者接收。主级像显示盘的上表面，次级像显示其下表面，三级像又显示上表面，依此类推。不过高级的像并无实际意义，因为它们已贴近中心黑盘的边缘，这个黑盘是真实黑洞被放大的像。
给黑洞拍”照
这些照明实验虽然是理想化的，但却至少表明，黑洞如何通过其引力场对辐射起着某种透镜那样的作用，使单个光源产生多重像。现在来考虑一种更真实的情况。在过去的20年中，围绕着天体的物质环得到了深入的研究，因为这种结构与大量的天文现象有关：行星（土星、木星、天王星和海王星），一个子星是致密星（白矮星、中于星或黑洞）的双星系统。黑洞周围的引力场吸取从伴星溢出的气体，贮人吸积盘，并慢慢吞噬掉。
精细的吸积盘模型解释了一些双星系统（如天鹅座X－l）的高能辐射。在大得多的尺度上，一些星系核心和类星体的高光度也能由物质向黑洞的流入来解释，而黑洞的质量为几百万到几十亿Mop关于这些天文现象中黑洞作用的详细讨论将是第四篇的课题。现在只要知道，当单位时间里流入黑洞的物质不是太多时，物质流会形成一个很薄的吸积盘，盘的辐射可以精确计算出来。
我在1978年用计算机计算了史瓦西时空中的光线轨迹，给一个由薄吸积盘环绕的黑洞重拍了一张照片（图对）。由薄盘上的某一点所发出的辐射的强度只依赖于该点到黑洞的距离，因此这幅重新构造成的图像是普适的，即与黑洞的质量和流人的气体量都无关。这幅图可以表示直径为10公里的黑洞，也同样可以表示像整个太阳系那么大并吞噬着星际气体的黑洞。
像图32一样，上盘面完全可见，但是，下盘面只有一小部分可见。实际的气体盘是不透明的，因而会吸收所遭遇的光线，于是，显示下盘面的次级像的大部分被主级像掩盖，高度变形的可见部分靠近黑洞的边缘。
黑洞与盘的内边缘之间的区域不发出辐射。史瓦西时空的性质不允许吸积盘与黑洞表面接触。盘中气体近乎圆形的轨道只能保持到3倍于史瓦西半径的距离处为止，在这个特征距离以内盘是不稳定的，气体粒子直接冲入黑洞，没有时间发出电磁辐射。
这张黑洞“照片”的主要特征是盘的各个区域光度之间的明显差异。最靠近视界的盘内区辐射光度是最强的，因为那里的气体温度最高，但是，盘的表观光度与实际光度大不相同。除了圆环的几何变形之外，远处照相底板所接收的辐射相对于盘发出的辐射还发生了频率移动和强度改变。有两种移动效应：一种是已经几次谈到的爱因斯坦效应，即引力场使频率降低，强度减弱；另一种是更熟悉的多普勒（DoPPler）效应，由辐射源相对于观测者的运动而造成，源趋近时接收强度增大，源远去时则减弱（另见第16章）。现在，多普勒效应是由于盘围绕黑洞的转动，盘的最靠近黑洞的区域转动速度接近光速，因而多普勒效应很强。照片中盘的转动方向是这样的，在右边物质相对于观测者退行，在左边则是趋近观测者。物质退行时，多普勒衰减与引力衰减合在一起，使得照片右边很暗弱，而在左边这两个效应相互抵消，于是得到的像大致与实际光度一致。第十一章 落入漩涡
我被对旋涡的强烈好奇心支配着。我确实感到一种去探测其深度的愿望，即使我将因此牺牲自己。我的最大遗憾是不能把看到的奥秘告诉岸上的老伙伴们。
——edar德加·爱伦·坡（Edgar Allan POe）《落入旋涡》（回840）
克尔黑洞
所有恒星都在自转，因而就不是严格球形的，而是在两极处稍稍变干，于是一颗真实恒星的引力坍缩就不能由球对称的史瓦西解来精确地描述。实际上，恒星周围时空的几何将由于引力波的产生而变得相当复杂。
为什么引力波（见第18章）会扰
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