发信人: digitcom() 
整理人: jeter(2000-02-11 16:34:59), 站内信件
 | 
 
 
以下的文章是关于黑洞的FAQ,下载自伯克利大学的一个网站。
 具体域名记不起了,反正在www.yahoo.com上敲下black holes
 大约就能找到。
 本人读后,觉得不错,但由于水平有限,时间有限,无法完全
 译成中文,只好当一回搬运工,在此帖出,希望读得懂的朋友
 能喜欢,读不懂的朋友不要当做灌水。
 Black Holes FAQ
 
 What is a black hole?
 --------------------- 
 Loosely speaking, a black hole is a region of space that has so much m ass 
 concentrated in it that there is no way for a nearby object to escape  its 
 gravitational pull. Since our best theory of gravity at the moment is  
 Einstein's general theory of relativity, we have to delve into some re sults 
 of this theory to understand black holes in detail, but let's start of  
 slow, by thinking about gravity under fairly simple circumstances. 
 Suppose that you are standing on the surface of a planet. You throw a  rock 
 straight up into the air. Assuming you don't throw it too hard, it wil l 
 rise for a while, but eventually the acceleration due to the planet's  
 gravity will make it start to fall down again. If you threw the rock h ard 
 enough, though, you could make it escape the planet's gravity entirely . 
 It would keep on rising forever. The speed with which you need to thro w the 
 rock in order that it just barely escapes the planet's gravity is call ed 
 the "escape velocity." As you would expect, the escape velocity depend s on
 the mass of the planet: if the planet is extremely massive, then its g ravity 
 is very strong, and the escape velocity is high. A lighter planet woul d have 
 a smaller escape velocity. The escape velocity also depends on how far  you 
 are from the planet's center: the closer you are, the higher the escap e 
 velocity. The Earth's escape velocity is 11.2 kilometers per second (a bout 
 25,000 m.p.h.), while the Moon's is only 2.4 kilometers per second (ab out 
 5300 m.p.h.). 
 
 Now imagine an object with such an enormous concentration of mass in s uch 
 a small radius that its escape velocity was greater than the velocity  of 
 light. Then, since nothing can go faster than light, nothing can escap e 
 the object's gravitational field. Even a beam of light would be pulled  
 back by gravity and would be unable to escape. 
 
 The idea of a mass concentration so dense that even light would be tra pped 
 goes all the way back to Laplace in the 18th century. Almost immediate ly 
 after Einstein developed general relativity, Karl Schwarzschild discov ered 
 a mathematical solution to the equations of the theory that described  such 
 an object. It was only much later, with the work of such people as 
 Oppenheimer, Volkoff, and Snyder in the 1930's, that people thought 
 seriously about the possibility that such objects might actually exist  in 
 the Universe. (Yes, this is the same Oppenheimer who ran the Manhattan  
 Project.) These researchers showed that when a sufficiently massive st ar 
 runs out of fuel, it is unable to support itself against its own 
 gravitational pull, and it should collapse into a black hole. 
 
 In general relativity, gravity is a manifestation of the curvature of  
 spacetime. Massive objects distort space and time, so that the usual r ules 
 of geometry don't apply anymore. Near a black hole, this distortion of  space 
 is extremely severe and causes black holes to have some very strange 
  properties. In particular, a black hole has something called an 'event  
 horizon.' This is a spherical surface that marks the boundary of the b lack 
 hole. You can pass in through the horizon, but you can't get back out.  In 
 fact, once you've crossed the horizon, you're doomed to move inexorabl y 
 closer and closer to the 'singularity' at the center of the black hole . 
 
 You can think of the horizon as the place where the escape velocity eq uals 
 the velocity of light. Outside of the horizon, the escape velocity is  less 
 than the speed of light, so if you fire your rockets hard enough, you  can 
 give yourself enough energy to get away. But if you find yourself insi de 
 the horizon, then no matter how powerful your rockets are, you can't 
  escape. 
 
 The horizon has some very strange geometrical properties. To an observ er 
 who is sitting still somewhere far away from the black hole, the horiz on 
 seems to be a nice, static, unmoving spherical surface. But once you g et 
 close to the horizon, you realize that it has a very large velocity. I n 
 fact, it is moving outward at the speed of light! That explains why it  is 
 easy to cross the horizon in the inward direction, but impossible to g et 
 back out. Since the horizon is moving out at the speed of light, in or der 
 to escape back across it, you would have to travel faster than light.  You 
 can't go faster than light, and so you can't escape from the black hol e. 
 
 (If all of this sounds very strange, don't worry. It is strange. The 
  horizon is in a certain sense sitting still, but in another sense it i s 
 flying out at the speed of light. It's a bit like Alice in "Through th e 
 Looking-Glass": she has to run as fast as she can just to stay in one  
 place.) 
 
 Once you're inside of the horizon, spacetime is distorted so much that  the 
 coordinates describing radial distance and time switch roles. That is,  "r", 
 the coordinate that describes how far away you are from the center, is  a 
 timelike coordinate, and "t" is a spacelike one. One consequence of th is is 
 that you can't stop yourself from moving to smaller and smaller values  of 
 r, just as under ordinary circumstances you can't avoid moving towards  the 
 future (that is, towards larger and larger values of t). Eventually, y ou're 
 bound to hit the singularity at r = 0. You might try to avoid it by fi ring 
 your rockets, but it's futile: no matter which direction you run, you  can't 
 avoid your future. Trying to avoid the center of a black hole once you 've 
 crossed the horizon is just like trying to avoid next Thursday. 
 
 Incidentally, the name 'black hole' was invented by John Archibald Whe eler, 
 and seems to have stuck because it was much catchier than previous nam es. 
 Before Wheeler came along, these objects were often referred to as 'fr ozen 
 stars.' I'll explain why below. 
 
 How big is a black hole?
 ------------------------ 
 There are at least two different ways to describe how big something is . We 
 can say how much mass it has, or we can say how much space it takes up . 
 Let's talk first about the masses of black holes. 
 
 There is no limit in principle to how much or how little mass a black  hole 
 can have. Any amount of mass at all can in principle be made to form a  black 
 hole if you compress it to a high enough density. We suspect that most  of 
 the black holes that are actually out there were produced in the death s of 
 massive stars, and so we expect those black holes to weigh about as mu ch as 
 a massive star. A typical mass for such a stellar black hole would be  about 
 10 times the mass of the Sun, or about 10^{31} kilograms. (Here I'm us ing 
 scientific notation: 10^{31} means a 1 with 31 zeroes after it, or 
 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000.) Astronomers also suspect  that 
 many galaxies harbor extremely massive black holes at their centers. T hese 
 are thought to weigh about a million times as much as the Sun, or 10^{ 36} 
 kilograms. 
 
 The more massive a black hole is, the more space it takes up. In fact,  the 
 Schwarzschild radius (which means the radius of the horizon) and the m ass 
 are directly proportional to one another: if one black hole weighs ten  times 
 as much as another, its radius is ten times as large. A black hole wit h a 
 mass equal to that of the Sun would have a radius of 3 kilometers. So  a 
 typical 10-solar-mass black hole would have a radius of 30 kilometers,  and 
 a million-solar-mass black hole at the center of a galaxy would have a  
 radius of 3 million kilometers. Three million kilometers may sound lik e a 
 lot, but it's actually not so big by astronomical standards. The Sun,  for 
 example, has a radius of about 700,000 kilometers, and so that superma ssive 
 black hole has a radius only about four times bigger than the Sun. 
 
 
 What would happen to me if I fell into a black hole?
 ---------------------------------------------------- 
 Let's suppose that you get into your spaceship and point it straight t owards 
 the million-solar-mass black hole in the center of our galaxy. (Actual ly, 
 there's some debate about whether our galaxy contains a central black  hole, 
 but let's assume it does for the moment.) Starting from a long way awa y from 
 the black hole, you just turn off your rockets and coast in. What happ ens? 
 
 At first, you don't feel any gravitational forces at all. Since you're  in 
 free fall, every part of your body and your spaceship is being pulled  in 
 the same way, and so you feel weightless. (This is exactly the same th ing 
 that happens to astronauts in Earth orbit: even though both astronauts  and 
 space shuttle are being pulled by the Earth's gravity, they don't feel  any 
 gravitational force because everything is being pulled in exactly the  same 
 way.) As you get closer and closer to the center of the hole, though,  you 
 start to feel "tidal" gravitational forces. Imagine that your feet are  
 closer to the center than your head. The gravitational pull gets stron ger 
 as you get closer to the center of the hole, so your feet feel a stron ger 
 pull than your head does. As a result you feel "stretched." (This forc e is 
 called a tidal force because it is exactly like the forces that cause  tides 
 on earth.) These tidal forces get more and more intense as you get clo ser 
 to the center, and eventually they will rip you apart. 
 
 For a very large black hole like the one you're falling into, the tida l 
 forces are not really noticeable until you get within about 600,000 
 kilometers of the center. Note that this is after you've crossed the 
  horizon. If you were falling into a smaller black hole, say one that 
  weighed as much as the Sun, tidal forces would start to make you quite  
 uncomfortable when you were about 6000 kilometers away from the center , 
 and you would have been torn apart by them long before you crossed the  
 horizon. (That's why we decided to let you jump into a big black hole  
 instead of a small one: we wanted you to survive at least until you go t 
 inside.) 
 
 What do you see as you are falling in? Surprisingly, you don't necessa rily 
 see anything particularly interesting. Images of faraway objects may b e 
 distorted in strange ways, since the black hole's gravity bends light,  but 
 that's about it. In particular, nothing special happens at the moment  when 
 you cross the horizon. Even after you've crossed the horizon, you can  still 
 see things on the outside: after all, the light from the things on the  
 outside can still reach you. No one on the outside can see you, of cou rse, 
 since the light from you can't escape past the horizon. 
 
 How long does the whole process take? Well, of course, it depends on h ow 
 far away you start from. Let's say you start at rest from a point whos e 
 distance from the singularity is ten times the black hole's radius. Th en 
 for a million-solar-mass black hole, it takes you about 8 minutes to r each 
 the horizon. Once you've gotten that far, it takes you only another se ven 
 seconds to hit the singularity. By the way, this time scales with the  size 
 of the black hole, so if you'd jumped into a smaller black hole, your  time 
 of death would be that much sooner. 
 
 Once you've crossed the horizon, in your remaining seven seconds, you  might 
 panic and start to fire your rockets in a desperate attempt to avoid t he 
 singularity. Unfortunately, it's hopeless, since the singularity lies  in 
 your future, and there's no way to avoid your future. In fact, the har der 
 you fire your rockets, the sooner you hit the singularity. It's best j ust 
 to sit back and enjoy the ride. 
 
 Back to Black Hole Question List 
 
 My friend Penelope is sitting still at a safe distance, watching me fa ll 
 ---------------------------------------------------------------------- --
 into the black hole. What does she see?
 ---------------------------------------
 Penelope sees things quite differently from you. As you get closer and  
 closer to the horizon, she sees you move more and more slowly. In fact , 
 no matter how long she waits, she will never quite see you reach the 
  horizon. 
 
 In fact, more or less the same thing can be said about the material th at 
 formed the black hole in the first place. Suppose that the black hole  
 formed from a collapsing star. As the material that is to form the bla ck 
 hole collapses, Penelope sees it get smaller and smaller, approaching  but 
 never quite reaching its Schwarzschild radius. This is why black holes  were 
 originally called frozen stars: because they seem to 'freeze' at a siz e 
 just slightly bigger than the Schwarzschild radius. 
 
 Why does she see things this way? The best way to think about it is th at 
 it's really just an optical illusion. It doesn't really take an infini te 
 amount of time for the black hole to form, and it doesn't really take  an 
 infinite amount of time for you to cross the horizon. (If you don't be lieve 
 me, just try jumping in! You'll be across the horizon in eight minutes , and 
 crushed to death mere seconds later.) As you get closer and closer to  the 
 horizon, the light that you're emitting takes longer and longer to cli mb 
 back out to reach Penelope. In fact, the radiation you emit right as y ou 
 cross the horizon will hover right there at the horizon forever and ne ver 
 reach her. You've long since passed through the horizon, but the light  
 signal telling her that won't reach her for an infinitely long time. 
  
 There is another way to look at this whole business. In a sense, time  
 really does pass more slowly near the horizon than it does far away. 
  Suppose you take your spaceship and ride down to a point just outside  the 
 horizon, and then just hover there for a while (burning enormous amoun ts of 
 fuel to keep yourself from falling in). Then you fly back out and rejo in 
 Penelope. You will find that she has aged much more than you during th e 
 whole process; time passed more slowly for you than it did for her. 
 
 So which of these two explanation (the optical-illusion one or the 
 time-slowing-down one) is really right? The answer depends on what sys tem 
 of coordinates you use to describe the black hole. According to the us ual 
 system of coordinates, called "Schwarzschild coordinates," you cross t he 
 horizon when the time coordinate t is infinity. So in these coordinate s it 
 really does take you infinite time to cross the horizon. But the reaso n for 
 that is that Schwarzschild coordinates provide a highly distorted view  of 
 what's going on near the horizon. In fact, right at the horizon the 
 coordinates are infinitely distorted (or, to use the standard terminol ogy, 
 "singular"). If you choose to use coordinates that are not singular ne ar 
 the horizon, then you find that the time when you cross the horizon is  
 indeed finite, but the time when Penelope sees you cross the horizon i s 
 infinite. It took the radiation an infinite amount of time to reach he r. 
 In fact, though, you're allowed to use either coordinate system, and s o 
 both explanations are valid. They're just different ways of saying the  same 
 thing. 
 
 In practice, you will actually become invisible to Penelope before too  much 
 time has passed. For one thing, light is "redshifted" to longer wavele ngths 
 as it rises away from the black hole. So if you are emitting visible l ight 
 at some particular wavelength, Penelope will see light at some longer  
 wavelength. The wavelengths get longer and longer as you get closer an d 
 closer to the horizon. Eventually, it won't be visible light at all: i t 
 will be infrared radiation, then radio waves. At some point the wavele ngths 
 will be so long that she'll be unable to observe them. Furthermore, re member 
 that light is emitted in individual packets called photons. Suppose yo u are 
 emitting photons as you fall past the horizon. At some point, you will  emit 
 your last photon before you cross the horizon. That photon will reach  
 Penelope at some finite time -- typically less than an hour for that 
  million-solar-mass black hole -- and after that she'll never be able t o 
 see you again. (After all, none of the photons you emit *after* you cr oss 
 the horizon will ever get to her.) 
 
 
 If a black hole existed, would it suck up all the matter in the Univer se?
 --------------------------------------------------------------- 
 Heck, no. A black hole has a "horizon," which means a region from whic h you 
 can't escape. If you cross the horizon, you're doomed to eventually hi t the 
 singularity. But as long as you stay outside of the horizon, you can a void 
 getting sucked in. In fact, to someone well outside of the horizon, th e 
 gravitational field surrounding a black hole is no different from the  field 
 surrounding any other object of the same mass. In other words, a 
 one-solar-mass black hole is no better than any other one-solar-mass o bject 
 (such as, for example, the Sun) at "sucking in" distant objects. 
 
 
 What if the Sun became a black hole?
 ------------------------------------ 
 Well, first, let me assure you that the Sun has no intention of doing  any 
 such thing. Only stars that weigh considerably more than the Sun end t heir 
 lives as black holes. The Sun is going to stay roughly the way it is f or 
 another five billion years or so. Then it will go through a brief phas e as 
 a red giant star, during which time it will expand to engulf the plane ts 
 Mercury and Venus, and make life quite uncomfortable on Earth (oceans  
 boiling, atmosphere escaping, that sort of thing). After that, the Sun  
 will end its life by becoming a boring white dwarf star. If I were you , 
 I'd make plans to move somewhere far away before any of this happens.  I 
 also wouldn't buy any of those 8-billion-year government bonds. 
 
 But I digress. What if the Sun *did* become a black hole for some reas on? 
 The main effect is that it would get very dark and very cold around he re. 
 The Earth and the other planets would not get sucked into the black ho le; 
 they would keep on orbiting in exactly the same paths they follow righ t now. 
 Why? Because the horizon of this black hole would be very small -- onl y 
 about 3 kilometers -- and as we observed above, as long as you stay we ll 
 outside the horizon, a black hole's gravity is no stronger than that o f any 
 other object of the same mass. 
 
 Is there any evidence that black holes exist?
 --------------------------------------------- 
 Yes. You can't see a black hole directly, of course, since light can't  get 
 past the horizon. That means that we have to rely on indirect evidence  that 
 black holes exist. 
 
 Suppose you have found a region of space where you think there might b e a 
 black hole. How can you check whether there is one or not? The first t hing 
 you'd like to do is measure how much mass there is in that region. If  you've 
 found a large mass concentrated in a small volume, and if the mass is  dark, 
 then it's a good guess that there's a black hole there. There are two  kinds 
 of systems in which astronomers have found such compact, massive, dark  
 objects: the centers of galaxies (including perhaps our own Milky Way  
 Galaxy), and X-ray-emitting binary systems in our own Galaxy. 
 
 According to a recent review by Kormendy and Richstone (to appear in t he 
 1995 edition of "Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics"), eight  
 galaxies have been observed to contain such massive dark objects in th eir 
 centers. The masses of the cores of these galaxies range from one mill ion 
 to several billion times the mass of the Sun. The mass is measured by  
 observing the speed with which stars and gas orbit around the center o f the 
 galaxy: the faster the orbital speeds, the stronger the gravitational  force 
 required to hold the stars and gas in their orbits. (This is the most  common 
 way to measure masses in astronomy. For example, we measure the mass o f the 
 Sun by observing how fast the planets orbit it, and we measure the amo unt of 
 dark matter in galaxies by measuring how fast things orbit at the edge  of 
 the galaxy.) 
 
 These massive dark objects in galactic centers are thought to be black  holes 
 for at least two reasons. First, it is hard to think of anything else  they 
 could be: they are too dense and dark to be stars or clusters of stars . 
 Second, the only promising theory to explain the enigmatic objects kno wn as
 quasars and active galaxies postulates that such galaxies have superma ssive 
 black holes at their cores. If this theory is correct, then a large fr action 
 of galaxies -- all the ones that are now or used to be active galaxies  -- 
 must have supermassive black holes at the center. Taken together, thes e 
 arguments strongly suggest that the cores of these galaxies contain bl ack 
 holes, but they do not constitute absolute proof. 
 
 Two very recent discovery has been made that strongly support the hypo thesis 
 that these systems do indeed contain black holes. First, a nearby acti ve 
 galaxy was found to have a "water maser" system (a very powerful sourc e of 
 microwave radiation) near its nucleus. Using the technique of 
 very-long-baseline interferometry, a group of researchers was able to  map 
 the velocity distribution of the gas with very fine resolution. In fac t, 
 they were able to measure the velocity within less than half a light-y ear 
 of the center of the galaxy. From this measurement they can conclude t hat 
 the massive object at the center of this galaxy is less than half a 
 light-year in radius. It is hard to imagine anything other than a blac k 
 hole that could have so much mass concentrated in such a small volume.  (This 
 result was reported by Miyoshi et al. in the 12 January 1995 issue of  
 Nature, vol. 373, p. 127.) 
 
 A second discovery provides even more compelling evidence. X-ray astro nomers 
 have detected a spectral line from one galactic nucleus that indicates  the 
 presence of atoms near the nucleus that are moving extremely fast (abo ut 1/3 
 the speed of light). Furthermore, the radiation from these atoms has b een 
 redshifted in just the manner one would expect for radiation coming fr om 
 near the horizon of a black hole. These observations would be very dif ficult 
 to explain in any other way besides a black hole, and if they are veri fied, 
 then the hypothesis that some galaxies contain supermassive black hole s at 
 their centers would be fairly secure. (This result was reported in the  22 
 June 1995 issue of Nature, vol. 375, p. 659, by Tanaka et al.) 
 
 A completely different class of black-hole candidates may be found in  our 
 own Galaxy. These are much lighter, stellar-mass black holes, which ar e 
 thought to form when a massive star ends its life in a supernova explo sion. 
 If such a stellar black hole were to be off somewhere by itself, we wo uldn't 
 have much hope of finding it. However, many stars come in binary syste ms -- 
 pairs of stars in orbit around each other. If one of the stars in such  a 
 binary system becomes a black hole, we might be able to detect it. In  
 particular, in some binary systems containing a compact object such as  a 
 black hole, matter is sucked off of the other object and forms an "acc retion 
 disk" of stuff swirling into the black hole. The matter in the accreti on 
 disk gets very hot as it falls closer and closer to the black hole, an d it 
 emits copious amounts of radiation, mostly in the X-ray part of the 
 spectrum. Many such "X-ray binary systems" are known, and some of them  are 
 thought to be likely black-hole candidates. 
 
 Suppose you've found an X-ray binary system. How can you tell whether  the 
 unseen compact object is a black hole? Well, one thing you'd certainly  like 
 to do is to estimate its mass. By measuring the orbital speed of visib le 
 star (together with a few other things), you can figure out the mass o f the 
 invisible companion. (The technique is quite similar to the one we des cribed 
 above for supermassive black holes in galactic centers: the faster the  star 
 is moving, the stronger the gravitational force required to keep it in  
 place, and so the more massive the invisible companion.) If the mass o f the 
 compact object is found to be very large very large, then there is no  kind 
 of object we know about that it could be other than a black hole. (An  
 ordinary star of that mass would be visible. A stellar remnant such as  a 
 neutron star would be unable to support itself against gravity, and wo uld 
 collapse to a black hole.) The combination of such mass estimates and  
 detailed studies of the radiation from the accretion disk can supply 
  powerful circumstantial evidence that the object in question is indeed  a 
 black hole. 
 
 Many of these "X-ray binary" systems are known, and in some cases the  
 evidence in support of the black-hole hypothesis is quite strong. In a  
 review article in the 1992 issue of Annual Reviews of Astronomy and 
 Astrophysics, Anne Cowley summarized the situation by saying that ther e 
 were three such systems known (two in our galaxy and one in the nearby  
 Large Magellanic Cloud) for which very strong evidence exists that the  mass 
 of the invisible object is too large to be anything but a black hole.  There 
 are many more such objects that are thought to be likely black holes o n the 
 basis of slightly less evidence. Furthermore, this field of research h as 
 been very active since 1992, and the number of strong candidates by no w is 
 larger than three. 
 
 
 How do black holes evaporate?
 ----------------------------- 
 This is a tough one. Back in the 1970's, Stephen Hawking came up with  
 theoretical arguments showing that black holes are not really entirely  
 black: due to quantum-mechanical effects, they emit radiation. The ene rgy 
 that produces the radiation comes from the mass of the black hole. 
 Consequently, the black hole gradually shrinks. It turns out that the  rate 
 of radiation increases as the mass decreases, so the black hole contin ues 
 to radiate more and more intensely and to shrink more and more rapidly  
 until it presumably vanishes entirely. 
 
 Actually, nobody is really sure what happens at the last stages of bla ck 
 hole evaporation: some researchers think that a tiny, stable remnant i s 
 left behind. Our current theories simply aren't good enough to let us  tell 
 for sure one way or the other. As long as I'm disclaiming, let me add  that 
 the entire subject of black hole evaporation is extremely speculative.  It 
 involves figuring out how to perform quantum-mechanical (or rather 
 quantum-field-theoretic) calculations in curved spacetime, which is a  very 
 difficult task, and which gives results that are essentially impossibl e to 
 test with experiments. Physicists *think* that we have the correct the ories 
 to make predictions about black hole evaporation, but without experime ntal 
 tests it's impossible to be sure. 
 
 Now why do black holes evaporate? Here's one way to look at it, which  is 
 only moderately inaccurate. (I don't think it's possible to do much be tter 
 than this, unless you want to spend a few years learning about quantum  field 
 theory in curved space.) One of the consequences of the uncertainty 
 principle of quantum mechanics is that it's possible for the law of en ergy 
 conservation to be violated, but only for very short durations. The Un iverse 
 is able to produce mass and energy out of nowhere, but only if that ma ss 
 and energy disappear again very quickly. One particular way in which t his 
 strange phenomenon manifests itself goes by the name of vacuum fluctua tions. 
 Pairs consisting of a particle and antiparticle can appear out of nowh ere, 
 exist for a very short time, and then annihilate each other. Energy 
 conservation is violated when the particles are created, but all of th at 
 energy is restored when they annihilate again. As weird as all of this  
 sounds, we have actually confirmed experimentally that these vacuum 
 fluctuations are real. 
 
 Now, suppose one of these vacuum fluctuations happens near the horizon  of a 
 black hole. It may happen that one of the two particles falls across t he 
 horizon, while the other one escapes. The one that escapes carries ene rgy 
 away from the black hole and may be detected by some observer far away . To 
 that observer, it will look like the black hole has just emitted a par ticle. 
 This process happens repeatedly, and the observer sees a continuous st ream 
 of radiation from the black hole. 
 
 Won't the black hole have evaporated out from under me before I reach  it?
 ---------------------------------------------------------------------  
 We've observed that, from the point of view of your friend Penelope wh o 
 remains safely outside of the black hole, it takes you an infinite amo unt 
 of time to cross the horizon. We've also observed that black holes eva porate 
 via Hawking radiation in a finite amount of time. So by the time you r each 
 the horizon, the black hole will be gone, right? 
 
 Wrong. When we said that Penelope would see it take forever for you to  
 cross the horizon, we were imagining a non-evaporating black hole. If  the 
 black hole is evaporating, that changes things. Your friend will see y ou 
 cross the horizon at the exact same moment she sees the black hole 
 evaporate. Let me try to describe why this is true. 
 
 Remember what we said before: Penelope is the victim of an optical 
 illusion. The light that you emit when you're very near the horizon 
 (but still on the outside) takes a very long time to climb out and rea ch 
 her. If the black hole lasts forever, then the light may take arbitrar ily 
 long to get out, and that's why she doesn't see you cross the horizon  for 
 a very long (even an infinite) time. But once the black hole has 
 evaporated, there's nothing to stop the light that carries the news th at 
 you're about to cross the horizon from reaching her. In fact, it reach es 
 her at the same moment as that last burst of Hawking radiation. Of cou rse, 
 none of that will matter to you: you've long since crossed the horizon  and 
 been crushed at the singularity. Sorry about that, but you should have  
 thought about it before you jumped in. 
 
 
 What is a white hole?
 --------------------- 
 The equations of general relativity have an interesting mathematical 
  property: they are symmetric in time. That means that you can take any  
 solution to the equations and imagine that time flows backwards rather  than 
 forwards, and you'll get another valid solution to the equations. If y ou 
 apply this rule to the solution that describes black holes, you get an  
 object known as a white hole. Since a black hole is a region of space  from 
 which nothing can escape, the time-reversed version of a black hole is  a 
 region of space into which nothing can fall. In fact, just as a black  hole 
 can only suck things in, a white hole can only spit things out. 
 
 White holes are a perfectly valid mathematical solution to the equatio ns of 
 general relativity, but that doesn't mean that they actually exist in  
 nature. In fact, they almost certainly do not exist, since there's no  way 
 to produce one. (Producing a white hole is just as impossible as destr oying 
 a black hole, since the two processes are time-reversals of each other .) 
 
 What is a wormhole?
 ------------------- 
 So far, we have only considered ordinary "vanilla" black holes. 
 Specifically, we have been talking all along about black holes that ar e not 
 rotating and have no electric charge. If we consider black holes that  rotate 
 and/or have charge, things get more complicated. In particular, it is  
 possible to fall into such a black hole and not hit the singularity. I n 
 effect, the interior of a charged or rotating black hole can "join up"  
 with a corresponding white hole in such a way that you can fall into t he 
 black hole and pop out of the white hole. This combination of black an d 
 white holes is called a wormhole. 
 
 The white hole may be somewhere very far away from the black hole; ind eed, 
 it may even be in a "different Universe" -- that is, a region of space time 
 that, aside from the wormhole itself, is completely disconnected from  our 
 own region. A conveniently-located wormhole would therefore provide a  
 convenient and rapid way to travel very large distances, or even to tr avel 
 to another Universe. Maybe the exit to the wormhole would lie in the p ast, 
 so that you could travel back in time by going through. All in all, th ey 
 sound pretty cool. 
 
 But before you apply for that research grant to go search for them, th ere 
 are a couple of things you should know. First of all, wormholes almost  
 certainly do not exist. As we said above in the section on white holes , 
 just because something is a valid mathematical solution to the equatio ns 
 doesn't mean that it actually exists in nature. In particular, black h oles 
 that form from the collapse of ordinary matter (which includes all of  the 
 black holes that we think exist) do not form wormholes. If you fall in to 
 one of those, you're not going to pop out anywhere. You're going to hi t a 
 singularity, and that's all there is to it. 
 
 Furthermore, even if a wormhole were formed, it is thought that it wou ld 
 not be stable. Even the slightest perturbation (including the perturba tion 
 caused by your attempt to travel through it) would cause it to collaps e. 
 
 Finally, even if wormholes exist and are stable, they are quite unplea sant 
 to travel through. Radiation that pours into the wormhole (from nearby  
 stars, the cosmic microwave background, etc.) gets blueshifted to very  high 
 frequencies. As you try to pass through the wormhole, you will get fri ed by 
 these X-rays and gamma rays. 
 
 Where can I go to learn more about black holes?
 ----------------------------------------------- 
 Let me begin by acknowledging that I cribbed some of the above materia l 
 from the article about black holes in the Frequently Asked Questions l ist 
 for the Usenet newsgroup sci.physics. The sci.physics FAQ is posted mo nthly 
 to sci.physics and is also available by anonymous ftp from rtfm.mit.ed u 
 (and probably other places). The article about black holes, which is 
  excellent, was written by Matt McIrvin. The FAQ contains other neat th ings 
 too. 
 
 There are lots of books out there about black holes and related matter s. 
 Kip Thorne's "Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy " is 
 a good one. William Kaufmann's "Black Holes and Warped Spacetime" is a lso 
 worth reading. R. Wald's "Space, Time, and Gravity" is an exposition o f 
 general relativity for non-scientists. I haven't read it myself, but I 've 
 heard good things about it. 
 
 Both of these books are aimed at readers without much background in 
 physics. If you want more "meat" (i.e., more mathematics), then you 
 probably start with a book on the basics of relativity theory. The bes t 
 introduction to the subject is "Spacetime Physics" by E.F. Taylor and  J.A. 
 Wheeler. (This book is mostly about special relativity, but the last c hapter 
 discusses the general theory.) Taylor and Wheeler have been threatenin g for 
 about two years now to publish a sequel entitled "Scouting Black Holes ," 
 which should be quite good if it ever comes out. "Spacetime Physics" d oes 
 not assume that you know vast amounts of physics, but it does assume t hat 
 you're willing to work hard at understanding this stuff. It is not lig ht 
 reading, although it is more playful and less intimidating than most 
  physics books. 
 
 Finally, if "Spacetime Physics" isn't enough for you, you could try an y of 
 several introductions to general relativity. B. Schutz's "A First Cour se in 
 General Relativity" and W. Rindler's "Essential Relativity" are a coup le of 
 possibilities. And for the extremely valiant reader with an excellent  
 background in physics, there's the granddaddy of all books on general  
 relativity, Misner, Thorne, and Wheeler's "Gravitation." R. Wald's boo k 
 "General Relativity" is at a comparable level to "Gravitation," althou gh 
 the styles of the two books are enormously different. What little I kn ow 
 about black-hole evaporation comes from Wald's book. Let me emphasize  that 
 all of these books, and especially the last two, assume that you know  quite 
 a lot of physics. They are not for the faint of heart. 
 
 September 1995 
  -- 在宇宙中流浪了一百亿年的光子,
 希望有一天飞进你的眼中,在你
 的脑海深处的某个神经末梢上,
 引起一丝难以察觉的颤傈。
  ※ 来源:.月光软件站 http://www.moon-soft.com.[FROM: 202.100.28.39]
  | 
 
 
 |