现象。当该恒星收缩时,其表面引力场变得很强,光线向内偏折得更多,从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处观察者而言,光线变得更黯淡更红。最后,当这恒星收缩到某临界半径时,表面引力场变得如此之强,使得光锥向内偏折得这多,以至于光线再也逃逸不出去(图6.1)。根据相对论,没有东西会走得比光还快。这样,如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能逃逸,都会被引力拉回去。也就是说,存在个事件集合或空间——时间区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处观察者。现在们将这区域称作黑洞,将其边界称作事件视界,它和刚好不能从黑洞逃逸光线轨迹相重合。
图6.1
当你观察个恒星坍缩并形成黑洞时,为理解你所看到情况,切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己时间测量。由于恒星引力场,在恒星上某人时间将和在远处某人时间不同。假定在坍缩星表面有无畏航天员和恒星起向内坍缩,按照他表,每秒钟发信号到个绕着该恒星转动空间飞船上去。在他表某时刻,譬如11点钟,恒星刚好收缩到它临界半径,此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去,他信号再也不能传到空间飞船。当11点到达时,他在空间飞船中伙伴发现,航天员发来串信号时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出两个信号之间,他们只需等待比秒钟稍长点时间,然而他们必须为11点发出信号等待无限长时间。按照航天员手表,光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出;从空间飞船上看,那光波被散开到无限长时间间隔里。在空间飞船上收到这串光波时间间隔变得越来越长,所以恒星来光显得越来越红、越来越淡,最后,该恒星变得如此之朦胧,以至于从空间飞船上再也看不见它,所余下只是空间中个黑洞。然而,此恒星继续以同样引力作用到空间飞船上,使飞船继续绕着所形成黑洞旋转。
但是由于以下问题,使得上述情景不是完全现实。你离开恒星越远则引力越弱,所以作用在这位无畏航天员脚上引力总比作用到他头上大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前,这力差就已经将们航天员拉成意大利面条那样,甚至将他撕裂!然而,们相信,在宇宙中存在质量大得多天体,譬如星系中心区域,它们遭
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