太近是有多近
如果你或者你的東西不幸落入黑洞會發生什麽?在我們詳細考慮這個問題之前,了解特定觀測者的特定視角或參考係的影響是很重要的。這意味著不同的觀測者會看到非常不同的事情。你如何看待落入黑洞的物體完全取決於你離這個物體有多遠(以及你是否就是那個物體)。在黑洞的事件視界之外的一個光子,因為它在視界之外,所以理論上可以逃離。而在事件視界內,故事將會不同了——光子無法逃離黑洞的引力場。但即使在事件視界之外,離開黑洞的光子也不會毫發無損地逃脫。光子會由於要克服引力做功而損失能量。這是一個引力勢阱的例子,就像你將自己從深井中拉出來需要能量一樣,光子也需要消耗能量以使自己遠離大質量天體附近的區域;甚至從在地球引力中移動的光子當中,人們也已經測量到了這種效應。光子的能量與其波長成反比:高能光子波長短,而低能光子波長長。光子在從黑洞逃離時會失去能量,因此其波長會增加。這會改變光的顏色,使其在光譜上從藍色端(短波)向紅色端(長波)移動。這種移動被稱為引力紅移,產生於時空本身的延展,或由於黑洞之類的大質量物體作用而彎曲的地方。要注意的是約翰·米歇爾雖然在暗星問題上給出了重要的原創想法,卻錯誤地認為當光從勢阱中爬出時速度會降低。我們現在知道了受大質量恒星所影響的是光的波長(也就是頻率)。
黑洞附近的時間會受到什麽影響
在第1章和第2章中,我描述了時空是如何因質量(也就是自身會產生引力場的事物)的存在而變形的,而這意味著在黑洞附近不僅是空間,時間也會受到影響。
想象一下,你想與史瓦西黑洞保持安全的距離,但是你又想了解在其附近時間是如何表現的。因此,你安排了26名固定的觀察者安全駐紮在黑洞外靠近事件視界的地方。這些觀察者按照從A到Z的順序命名,並且排成一條直線,其中A最接近事件視界,而Z最接近安全地待在遠處的你。從A到Z的每個觀察者都有一個精確的時鍾,來測量他們所在的特定位置的時間。為說服A到Z參與這個實驗,你還為他們每個人額外提供了一個不同尋常的時鍾作為禮物。這些時鍾經過調整,與你所在的安全位置的時鍾讀數相同。最接近你的參與者Z會發現他所擁有的兩個時鍾所讀取的時間略有不同,因為他自己的時鍾測量的是當地時間(術語叫作“固有時”),其運行會比與你在更遠更安全的距離所測量到的時間相同的禮物時鍾更慢一點。參與者Z到A所整理出的結果將顯示出一個顯著效應:與他們特別調整過的禮物時鍾上所顯示的遠處的時間相比,越接近黑洞測時的時鍾“運行得越慢”。愛因斯坦的廣義相對論所描述的這種效應被稱為時間膨脹。對於更加靠近黑洞的字母表開頭的觀察者來說,效應會越來越明顯。與遠處觀測者使用的時鍾相比,本地時鍾(不管是原子鍾還是生化鍾)越靠近黑洞,運行速度就會越慢。