黑科技还是整蛊狂？试试百度一下这几个关键词
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黑科技还是整蛊狂？试试百度一下这几个关键词
& 百度搜索某些关键词时，有时会出现意想不到的特效彩蛋。今天愚人节，小编为大家整理了百度一系列“整蛊”关键词，保证搜索结果“吓一跳”――愚人节调戏朋友必备良品。
搞怪篇――黑洞、打雷、大风
1、 百度搜索：黑洞
在PC端输入“黑洞”二字，深不见底的黑洞漩涡就会跃入眼前，一番盘旋后，页面的所有图片、文字都被“黑洞”吸附了，只留下一脸懵逼的你。
2、&百度搜索：打雷
在PC端输入“打雷”二字，震天的雷声掷地有声，让你恍恍惚惚分不清：真打雷了吗？
3、&百度搜索：大风
在PC端输入“大风”二字，呼呼的风声便会从电脑音箱中划过耳畔，让你在一刹那间都忘了自己是不是没关窗户。
“舞娘”篇――旋转、翻转、跳跃、抖动、摇一摇
1、百度搜索：旋转
在PC端输入“旋转”二字，调皮的网页就会给你一个360度大旋转，连蔡依林都要甘拜下风。
1、 百度搜索：翻转（或反转）
在PC端输入“翻转（或反转）”二字，整个网页都翻转过来了，这是要正着看，还是反着看呢？
在PC端输入“跳跃”二字，冷不丁电脑屏幕便会蹦跳起来。
4、百度搜索：抖动（或晃动）
在PC端输入“抖动（或晃动）”，电脑屏幕便会抖三抖。
5、百度搜索：摇一摇(duang)　　
在PC端输入“摇一摇”或者“duang”，想像一下成龙大哥帅气一“duang”，你值得拥有。
大自然篇――闪烁、布谷鸟
　　在办公室呆坐一整天真是烦闷不堪，可又没法请假出游。那就让百度搜索带你走进清新“大自然”吧
1、百度搜索：闪烁
　　在PC端搜索“闪烁”，搜索结果中“闪烁”两字会像星星一样，一闪一闪的，这时候如果关了灯，仿若置身夜空。
2、百度搜索：布谷鸟
在PC端输入“布谷鸟”，便能听到布谷鸟清脆的叫唤“布谷，布谷”。忙碌了一天听到这样的天籁之音，让你的心情豁然开朗。
& 看完这些有趣的搜索特效，感觉百度工程师的脑洞里一定藏了什么不可告人的秘密……
编 辑：王洪艳
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未经书面许可，禁止转载、摘编、复制、镜像　　没有引力的物理会是个什么样子呢？
　　　　　　　　　　　　　　　　——爱因斯坦（ 1950）
　　白矮星和黑矮星。中子星和脉冲星，都是恒星的残骸，都还不算太捣乱，黑洞呢？米切尔和拉普拉斯猜想到巨大的不可见恒星可能存在，但他们既不知道这种星形成的机制，也没有考虑到太阳质量的黑洞。他们没有后来才发展起来的量子力学和广义相对论的知识。
　　黑洞作为引力坍缩的一种可能结果而重新出现是在1939年，那时美国物理学家罗伯特·奥本海默（他已为中子星理论作出了贡献）和哈特兰·施奈德（Hartland
Snyder）在用广义相对论方程研究一种球对称和没有内压强的简化“模型星”的坍缩。他们发现，在一定情况下引力是如此之强，以至于不可能有稳定的中子星形成。没有任何力量能够阻挡星体的坍缩，直至成为一个体积为零密度为无限大的“点”。远在达到这种状态之前，收缩的恒星就停止了与外部世界的一切通讯。
　　关于恒星黑洞存在的理论预言因而建立在以下三个要点上：
　　1．自然界没有任何力能够支撑3M以上质量的“冷”物质，即已经停止热核反应的物质。
　　2许多已观测到的热恒星的质量远远超过3M
　　3，大质量恒星消耗其核燃料并经历引力坍缩的时间尺度是几百万年，所以这样的过程已经在已有1优化年以上高龄的银河系里发生。
　　上述论证的弱点是假定大质量恒星能产生出一个质量超过中子星稳定限度的简并核心——唯有它坍缩。已知最大的恒星质量达到10M（现在的纪录保持者是一颗称为HD698的恒星，其质量为113M人另一方面，所有恒星在演化过程中都以星风形式丢失一部分质量。对太阳和其他不很大的恒星来说，这种丢失在主序阶段是很小的，质量抛射主要以行星状星云的形式发生在核演化的末期。然而，有很好的理由认为，很大的恒星从诞生开始就抛射大量物质。我们对这个问题现有的理论和观测知识都还不足以得出确定的结论，甚至也还不能排除这样一种极端的假设，即无论恒星的初始质量有多大，星风造成的质量损失总能使其质量减小到3M以下，如果是这样，超新星中黑洞的形成就根本不可能了。
　　但是，如在第4篇中将会看到的，我们相信质量为几个M＆的黑洞已经在一些X射线源中被确实探测到了。以我们目前的知识，更合理的看法是，所有母体星质量为l（k──100。的超新星将要么产生中子星，要么产生黑洞。由高效计算机计算的关于超新星爆发的精细模型表明，有两种可能形成黑洞的情况。
　　1．当简并核心的质量大于中子星稳定限度时，坍缩将直接导致黑洞形成，但是不知道是否伴随有物质的喷射（恒星外层不像中子星的情况那样从坚硬核上反弹）。
　　2．当核心质量小于临界值而抛射的质量又很小时，首先是形成中子星，但是它不能支撑外层的重量，于是再坍缩成黑洞。
　　除了这两种超新星中几倍Mpe量的黑洞形成的可能性外，还有一种在长时间中分阶段进行的可能性。首先有一个由超新星形成的中子星，接着的一个很长阶段是中子星捕获物质并堆积在其表面上（最有利的情况显然是在双星系统中），直到总质量超过稳定限度。这种机制与白矮星转变成中子星相似，要使它行得通，还要求堆积的气体不会像新星那样被星体表面的核反应炸散。
　　总之，在恒星演化的旅途上，黑洞的出现标志着引力在恒星一生中的控制作用取得了最后胜利（见附录对，但远非于此，引力还支配着宇宙中物质所有更大的集会形式。我们在后面将看到，一个密集星团的演化也会导致其核心的收缩，并形成质量不再只是几个M，而是上千、上百万、甚至上十亿M的黑洞。我们还将看到，黑洞可以由吸取物质而增大，可以从一个矮星变成巨星，变成米切尔和拉普拉斯所想象的那种不可见星；另一方面，又有很小的黑洞，它们太轻了，不能由自身重力下的均缩而形成，而是由只有早期宇宙才能产生的巨大外部压力挤压而叽
　　黑洞是一种奇怪的残骸，它一旦形成，就不再是“死”的，而是注定有一个满是“大吵大闹”的新生命。本书的后一半将细说其详。
　　　　　　　　　　　　第三篇：光的消逝
　　如果谁想要同相对论分手，请到此止步，否则他就走上了通向新物理（经典的和量子的）世界的道路。现在出发！——哈里森（B·Ham－，n），索恩（巫·Thorne），瓦卡偌（M·WakanO），惠勒（J·WheelerX）(1965)
　　　　　　　　　　　　
　在广漠沉寂的星空里，我们为失去的太阳悲泣…
　　　　　　　　——朝·德拉维尔·德迈驶（Jea de LaVthe de Mhant）
　　　　　　　　　　　　史瓦西解
　　1915年12月，爱因斯坦发表他的广义相对论方程后仅一个月，德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl
Schwarzschild）得到了一个描述球状物体周围真空中引力场的解。他从与俄国军队作战的前线给爱因斯坦寄去了自己的文稿，并请求帮助处理发表事宜（他是一名志愿入伍的爱国者，在得到这个解时已患了一种不治之症天疮疮。他很快就被送回国，并于1916年5月去世）。爱因斯坦大喜过望，回信写道：“我没有预料到能得出方程的精确解，您对问题的解析处理令我极为满意。”
　　有两条理由使得史瓦西时空见何极为重要。第一，它是对太阳系中引力场的一个很好的描述。太阳本身近乎球形，其周围物质的质量很小，以至于可以被看作真空，太阳系中所有光线和行星、香星等物体的运动轨道因而就是史瓦西弯曲时空的测地线（直线在弯曲几何里的等价者，见第3章）。这些运动轨道能被计算出来，并与经过太阳附近的光线和行星近日点进动的观测值精确相符，而这些现象是牛顿引力理论所不能解释的。
　　第二，史瓦西几何又具有普适性，因为它与恒星的类型无关，而只依赖于一个参量，即质量。太阳和相同质量中子星周围的引力场是同样的，一个相同的点质量也是如此。
　　然而困难正是从这里开始，随着向点状引力源的趋近，时空几何出现奇异行为。更精确地说，奇异性在！临界距离r＝ZGM／c‘处开始出现，这里M是中心星的质量，G是牛顿的万有引力常数，C是光速（以下将把这个式于简化成r一ZM，即通过适当选取质量、长度和时间的单位而使G和C都等于1）。这个临界距离与引力质量成正比，对太阳质量是3公里，对100万倍太阳质量是300万公里，对地球则是1厘米。这个距离就叫做史瓦西半径，它不是别的，正是按照牛顿方式计算的表面逃逸速度达到光速的星体尺度。史瓦西自己并不知道，正是他为米切尔和拉普拉斯那已被遗忘的关于不可见星的猜测打开了通道。
　　　　　　　　　　　　　魔圈
　　在由史瓦西解到黑洞理论的道路上，似乎有着两个陷跳，一个是数学的，另一个是天文学的。
　　按照史瓦西解，在临界半径／＝ZM以内，空间和时间都丧失了自己的特征。在这个半径以外用以测量距离和时间的规则都失效了，时间趋于无限，而距离变成零。爱丁顿曾把时空几何中的这种奇异性描述为“我们无法在其中进行任何测量的魔圈”。
　　魔圈问题在1922年巴黎研讨会上引起了热烈的讨论。这个会上聚集了以爱因斯坦为中心的一群最好的相对论学家。包括约翰·贝奎尔（Jean
Becquerel）、亨利·布里罗因（HenriBrillouin）、埃里·嘉当（Elie
Cartan）、雅克·哈达玛（JacquesHadamard）和泡尔·郎之万。然而，这个理论物理学家阵容仍不能解决临界半径所提出的数学问题，他们充其量也只是觉得可能与引力收缩有关。
　　在很长时间里魔圈被认为是广义相对论的一个缺陷，在这个问题上的进展因而被阻碍了。直到50年代，理论家们才对史瓦西半径上的奇异性的解释获得共识，时空几何的“病态”行为只是一起数学事故。戴维·芬克斯坦（David
Finkels比in）证明，这是坐标系选择不当的结果（按照广义相对论，所有坐标系都能等价地用于描述物理现象，但是在某些坐标系中的计算会比在别的系中简单得多）。在此之前许多年，爱丁顿曾经找到一个坐标系，在其中史瓦西几何没有魔圈，但是他没能或不愿看到进一步的结果，因为他在一心想着另外一个天文学的问题，即引力收缩的恒星。
　　　　　　　　　　　不可见星的重现
　　太阳这样的恒星能自己收缩成半径为3公里的球的思想，在20世纪初同在拉普拉斯时代一样不被接受，因为它所要求的物质密度是无法想象的。1931年，日本物理学家获原雄助写了一篇很有趣的数学论文，其中计算了史瓦西时空的所有测地线，包括穿过魔圈的那些，他的结论是：“对于任何一颗恒星，rZ
ZM这个距离落在其实际半径外面是很不可能的。要使质量与太阳相当的恒星的半径等于ZM这个值，其密度就必须是水的10‘’倍，而最致密的恒星，即作为天狼星伴星的那颗白矮星，其密度也只是水的6X
104倍（后来的观测表明白矮星的密度比这个计算值大十倍，见第5章）。能达到如此惊人之高的临界密度的恒星物质状态是不存在的，因此在r＝ZM以内的轨道从物理上看是高度地不可能的。”
　　这段引文准确地概括了大多数天体物理学家的务实观点。他们只对史瓦西几何的外部区域有兴趣，因为能应用于太阳系，而他们完全不理会临界半径上的奇异行为。
　　然而，毕竟有一些人敢于向前迈进。
　　1920年，安德森（A·Anderson）向自己提出一个恒星的体积收缩到接近其“魔圈”时会发生什么的问题，并回答道：“如果太阳持续地收缩，终将有一天它会消失在黑暗中。这并不是因为它不再发光，而是因为它的引力场变得使光不能透过。”一年后，奥利弗·洛奇（O－liver
Lodge）爵士几乎逐字重复了米切尔和拉普拉斯的推断：“如果光受引力作用……一个质量足够大并足够密集的物体将能够留住光，使之不能射出…··咖果太阳这么大的质量能收缩到一个半径约3公里的球内，这样一个球将具有上面所说的性质，但是这种程度的收缩是超出理性认可的范围的……然而，一个恒星系统，比如说一个超旋涡星云，如果总质量为太阳的10’5倍而半径为300秒差距，则相应的平均密度只有10－15克／立方厘米，而光也不能从中逃逸。这样一种物质聚集状态看来就不是完全不可能了。”
　　按照这个分析，如果说天体物理学家仍然难以接受质量为几个M的恒星收缩到史瓦西半径以下时所具有的惊人密度，、那么他们中的某些已能接受质量大得多的情况下出现这种收缩的可能性，这只是因为相应的密度变得“合理”了，也就是说与自然界已观测到的密度值相差不大了。
　　与此同时，全新的量子力学理论预言了密度比任何人所敢想象的都高得多的简并状态的存在，从而支持了引力坍缩的假设。学术界已为不可见星思想的重视作好了准备，然而时候仍然末到。爱丁顿很矛盾地既是广义相对论最伟大的卫士，又是恒星凝缩到史瓦西半径以内的思想最激烈的反对者。“我认为必定有一条自然定律来阻止恒星的这种荒唐行为！”为支持自己的这个信念，爱丁顿不得不修改费米的简并定律，以允许任何质量的冷物质，不论其尺度大小，都能保持平衡。他在1935年的国际天文学联合会上表述了自己的思想，三年后他成为该联合会的主席。在那次会议上年轻的钱德拉塞卡递了一张纸条给执行主席，要求允许发表一个相反意见，但被拒绝了。爱丁顿的名气是如此之大，他的观点不容怀疑！
　　历史当然不会因此而停止前进。由于建立第一个致密星即白矮星的模型，钱德拉塞卡也成了著名人物。引力坍缩理论的真正诞生是在1939年，归功于奥本海默和施奈德的工作（见第8章）。他们运用广义相对论方程来计算球状物体在史瓦西半径以下的引力坍缩。他们严格证明了：物质连同时空一道，将坍缩成连光也不能从中逃逸的区域。
　　黑洞这个名称是约翰·阿奇巴德·惠勒（Job
ArchibaldWheeler）于日在纽约的一次讲课中首次使用的，黑洞的光辉历程终于开始……
　　　　　　　　　　　　超想象的黑暗
　　印度天体物理学家加彦特·纳里卡（Jayant
Narlikar）讲述了这样一个故事：在18世纪的加尔各答，有一座名为威廉堡的要塞，其中有一个小而阴暗的房间，叫做“加尔各答的黑洞”，这个房间长5米，宽4米，原来是用于关押3名犯人的。1757年，班加尔地区发生了一次流血的反抗，作为一种报复，残忍的长官把46名敌军俘虏关进了“加尔各答的黑洞”。当时正值盛夏，这些人被关押了10个小时，只有22人活着出来。
　　这个故事是如此可怕，以至于某些历史学家怀疑其真实性。无论如何，它倒是表征了黑洞贪婪吞食周围一切物质的特性，这一点已经被广为宣传，然而这只是黑洞的许多属性之一。黑洞是这样一种“物体”，既很简单，又以令人困惑的方式来使时空扭曲。让我们首先来分析黑洞的传统形象，即作为一种宇宙监狱。
　　且回到黑洞的基本定义：这是一个时空区域，其中的引力场强到使得任何物质和辐射都不能逃逸出来。强引力场意味着物质的高度密集，要“造出”一个黑洞，就必须把一定的质量放进一定的体积内，在球对称的情况，这个体积的大小由史瓦西半径来给定。表3显示黑洞与原子、恒星等物体是如何不同。
　　暂且不管黑洞形成的机制，理论上所有尺度和质量的黑洞都是可能的。有尺度如同基本粒子、而质量像一座山那么大的微型黑洞，也有质量为几个Mop直径为数公里的黑洞，还有质量数十亿M、尺度像整个太阳系那么大的巨型黑洞（见附录司。与人们的普遍印象相反，黑洞的平均密度并不一定很高，这个值与质量的平方成反比。当然，一个由超越了中子星限度的恒星的引力坍绩而形成的10M黑洞具有”‘克／立方厘米的“核”密度，但一个数十亿M的黑洞的密度就比水要小百倍。黑洞并不一定是极高密度的星，而只是必须致密到足以囚禁住光（物体的。密度与致密度是不同概念，密度是质量与体积之比，而致密度则是临界半径与实际半径之比，见表3）。
　　黑洞状态。表中数值都是取10的最接近的幂，关于宇宙的数值需要更仔细的考虑，见第19章。
　　　　　　　　　　　　　　光被囚禁
　　白昼与黑夜在这里搏斗。
　　　　　　　　　　　　　　——维克多·而果（ Victor Hugo）最后的话
　　假定真空中的一颗完全球形的恒星坍缩到了其史瓦西半径以内，其表面温度很高，发出辐射。光是怎样逐步地被囚禁，恒星是怎样变成一个黑洞的呢？
　　米切尔和拉普拉斯归因于逃逸速度，广义相对论则远为精妙。1923年，伯克霍夫（G·Birkhofo证明，史瓦西解描述的不仅是一个静止物体周围，而且是一个在收缩或膨胀的恒星周围的时空，只要这颗星精确地保持球对称性。如果太阳开始振荡，即在所有方向上以相同速率膨胀或收缩，或者甚至它被一个相同质量的黑洞所代替，太阳系的几何将不会变化，行星和管星的轨道也根本不会有所不同，只是不再有光明。伯克霍夫定理表明，由一个球对称他收缩着的恒星所发出的光线完全由史瓦西几何的测地线来描述。
　　图26显示一个球对称恒星引力坍缩的四个阶段，越来越多的光被逐步留住。在坍缩之前，恒星的体积远大于史瓦西半径所规定的尺度。按照广义相对论，它的引力场对时空“弹性组织”几乎没有什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。
　　然后是恒星坍缩，随着其半径趋近于史瓦西半径，引力助在加深，时空弯曲程度在增大。按照等效原理，光线被迫弯曲，偏离直线，以遵循测地线。当恒星半径等于1．5倍史瓦西半径时，出射的光线会背道而驰，落回恒星表面，就像喷泉的水。这些光线组成一个光球，像茧一样包着坍缩中的恒星。远处的观测者只能偶然地看到少数逃逸出来的光子。
　　随着引力坍缩的继续，能够逃逸的光子越来越少，光的“逃逸锥”在不断缩小。当恒星达到临界的史瓦西半径时，所有的光线都被捕获，即使那些沿径向（即垂直干表面）射出的也不例外。逃逸银完全关闭，光球消失，黑洞也就形成。其表面，即史瓦西球面，就是不可见区域的边界，也就是所谓视界。
　　　　　　　　　　　　　视界
　　由于大地的弯曲，地面上的观测者也受限于一个视界，视界以外的区域他是不可能看见的。不过，地球的视界是相对的，它是一个以观测者为中心的圆，并随着观测者运动。
　　黑洞的视界则是绝对的。它是时空中的分界，与观测者无关，将所有事件（即时空点）分成两类。在视界以外，可以由光信号在任意距离上相互联系，这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内，光线并不能自由地从一个事件传播到另一个，而是都朝向中心集聚，事件之间的联系受到严格的限制，这就是黑洞。
　　图27是一幅时空图，显示一个球对称地收缩并最后形成黑洞的恒星周围的史瓦西几何。这是本书中最重要的一幅图，因为它提供了正确理解黑洞的基本要点，因此它应当受到特别注意。
　　像所有时空图一样，弯曲是借助光锥来表现的。记住在每一个事件上的光锥是由光子运动的轨迹所形成的，并且限制着所有不能运动得比光速更快的粒子的世界线。在没有引力的情况下，所有光锥都相互“平行”，也就是说，通过适当地选择时间和空间单位，所有光锥都以45”角倾斜，张角都是90“。这样的光锥描述的是作为狭义相对论基础的明可夫斯基平直时空。在有引力场和相应的弯曲几何情况下，光锥变形，张角变小。
　　为简化起见，图中只画出了沿径向传播（进入或离开）的光线，前面谈过的光球因而并不出现。远离坍缩区域的地方，时空几乎是平坦的，光锥也就足端正的。中心质量所产生的引力场随着距离的增大而减弱，时空的弯曲程度也就随着减小。因此，史瓦西时空是渐近平坦的，就是说在距中心质量很远处它变得与明可夫斯基时空一致。
　　随着向引力场源的趋近，曲率增大并影响光锥，使之越来越合拢并朝着坍缩区域的中心倾斜，光线就越来越难以逃逸。终将有这样一个时刻到来，即光锥偏转了45”，一条母线已成为垂直线，于是所有允许的传播方向都朝引力场中心会聚，光被囚禁，r＝ZM处的视界形成。越过视界后光锥变得更为倾斜，张角也更小，被限制在光锥以内的所有物质粒子的轨道都不可抗拒地会聚到垂线r—0上。黑洞的这个几何中心是一个奇点，在那里所有物质都被无限压缩，时空被无限弯曲。
　　黑洞的形成使时空分成由砚界隔离的两个部分，物质和辐射能由机界以外进入其内，但不能反过来，这就是“黑洞”名称的由来。
　　　　　　　　　　　　　轻率的宇航员
　　在距黑洞很远的地方，时空与只被太阳质量轻微弯曲的太阳系中的相似，但是，史瓦西几何只到距太阳中心70万公里的表面为止，而在黑洞内则一直延伸到中心奇点。当然，只是在视界附近，与黑洞相关的那些奇特现象才变得明显。
　　像所有引力源一样，黑洞也产生潮汐力（这是把时空弯曲翻译成了牛顿语言，见“宇宙高尔夫球”一节）。一个头朝着黑洞下落的宇航员，他的脚受到的引力比头受到的小，他的身体就会被潮汐力拉长，这个力随着他向黑洞的趋近而增大。人体当然不能承受这种拉伸力，也不能承受100倍大气压以上的压力（大气压是1千克／平方厘米）。一个被吸向10M质量黑洞的宇航员，将远在到达视界（半径为30公里）之前，gg在400公里的高空就已被潮汐力撕裂而死。他在视界上所受到的潮汐力的拉伸作用，就如同他被吊在埃菲尔铁塔的一根横梁上，而全巴黎所有的人都吊在他的脚上。
　　然而，潮汐力的强度依赖于产生它的物质的密度。黑洞的质量越大，密度就越低，其外部时空的弯曲就越小。因此，人体在很大质量的黑洞附近倒能够经受得住。我们那位作试验的宇航员能够到达1000Mpe量黑洞的视界，他甚至能够探索1000万M。质量的巨型黑洞的内部，因为这种黑洞视界上的潮汐力比由地球所产生的还要弱，而后者已经是难以觉察了。但是，一旦他越过了视界，他就会无可挽回地落向中心奇点，于是无论黑洞质量是多大，他都会被无限大的潮汐力撕得粉碎！
　　　　　　　　　　　　时间的冻结
　　图对还显示，在事件EpE．、马和E4上产生的光线如何离开收缩恒星的表面，并在几、凡、凡和儿被远处的天文学家（其世界线由一条垂向直线表示）所接收到。假定由一只始终放在恒星表面上的钟所量度的四个事件之间的时间间隔是相等的，和儿接收光信号时间之间的间隔却越来越长。作为极限，由民即恰在视界形成时所发出的光线，要经过无限长的时间才能到达远处的观测者那里（因此几点在图中没有标出）。
　　这种“时间冻结”现象是爱因斯坦相对论所预言的时间弹性的极端例证，时间的流逝对于两个有相对加速度（或者由等效原理，处在不同引力场中）的观测者来说是不同的。相对于不参与自由下落的遥远观测者，引力坍缩中的恒星表面是在加速，于是由放在恒星表面的钟所量度的坍缩的原时，就与由一只远处独立的钟量度的坍缩的表观时间大不相同。恒星在史瓦西半径以下的收缩，是发生在有限的原时内，却对应着无限长的表现时间。远处的天文学家将永远不能看到黑洞的形成，也不能看到其内做
　　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。
　　　　　　　　　　　
　　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。
　　　　　　　　　　　
　　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）会扰乱几何呢？道理很简单：所有运动物质（例如一颗转动恒星）的引力场都随时间变化。因此，由引力造成的时空弯曲在每个时刻都会变化，以反映新的物质构造。这种再调节像一种“皱纹”，以光速在背景几何中传播。
　　球对称性最差的坍缩恒星发出最多的引力波。一旦视界形成，恒星坍缩成了黑洞，则情况立即简化。在视界形成的瞬间，其形状可能仍不规则，并表现出剧烈的振动，但在不到1秒钟之内引力波会抹去所有的不规则性（图34）。于是视界停止振动并成为单一的平滑的形状，即一个两极因离心力而变扁平的椭球面。
　　这就是为什么一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态，这个状态只依赖于两个参量，即质量和角动量，后者表征恒星的转动，类似于基本粒子的自旋（见“简并物质”一节）。
　　爱因斯坦方程有一个只依赖于这两个参量的精确解。这个解由新西兰物理学家罗伊·克尔（RoyKerr）于1962年得到，描述的是转动黑洞的引力场。这个理论发现有着重要的天文学意义，其价值不亚于一种新基本粒子的发现。科学总是这样，理论与实验相互促进发展。
　　要注意的是，史瓦西几何描述的是一个球形物体的引力场，不论该物体是否处于静止；而克尔几何描述的只是一个最后的平衡态，它只适用于视界已经形成和所有的畸形都已被引力波扫除之后，而不能用于转动恒星的实际坍缩过程。
　　　　　　　　　　　　　极端黑洞
　　大多数恒星在作较差转动。它们由具有不同密度、以不同速度旋转的气体层组成。在太阳系里，气体行星（如木星、上星）的大气呈现多条与赤道平行的长带，这就是较差转动的效应。克尔黑洞的转动却是完全刚性的，视界上所有的点都以同样角速度转动。
　　另一方面，恒星不能以任意速度转动。即使像一个巨大的转动陀螺一样的中子星，也不可能每秒转动1000周以上，因为超过这个极限，星体就会被离心力瓦解。同样也存在一个临界角速度，超过了它，视界就会“破碎”，只留下裸露的中心奇点。这个极限所对应的视界具有等于光速的转动速度，这种“极端”黑洞视界上的引力场为零。用牛顿的语言来说，就是在视界上，离心排斥力与引力正相抵消。
　　很有可能，大多数由大质量恒星引力坍缩而形成的黑洞所具有的角速度很接近这个极限。实际上，有许多转动的恒星，虽然还远不是黑洞，却已经具有很高的角速度（太阳的角速度是极限值的20％）。如果在坍缩过程中角动量守恒（角动量守恒解释了中子星的高转动速度，见第7章），恒星级黑洞就应当很接近这个极限状态。因此，被认为是双星X射线源“发动机”的3Mpe洞（见第四篇），就必然每秒钟转动将近5000转。
　　但是，黑洞并不是在固定的外部空间中转动的陀螺。我们不可能在视界上放一只灯泡井数它每秒钟转过的次数，克尔黑洞施曳着整个时空同它一起转动（按照广义相对论，所有大质量的转动物体也都是如此，但是这种被称为伦斯＞锑林（Lense－Thir－ring）效应的几何拖曳是极小的，除非该物体已经坍编成为黑洞）。理论上，只有在无限远处时空才停止“转动”，因而才可以认为视界具有一个角速度。靠近黑洞处的时空被不可抗拒地扭曲成旋涡状，黑洞是一个宇宙大旋涡，这是它的第二条基本特征，仅次于对光的捕获。
　　　　　　　　　　　　宇宙大旋涡
　　但是已经没有时间让我考虑自己的命运了。圆圈在迅速缩小——我们被旋涡疯狂地抓住了，大海在翻腾，暴风在呼啸，我们的船在颤抖——一啊，上帝，它还在—…·下沉！
　　——德加·爱伦·坡《瓶子里发现的手稿》
　　转动黑洞与人们熟悉的涡流现象很有些相似，从浴缸里的水流入底部的孔时形成的涡流，到海洋的水流形成的巨大涡流，例如埃德加·爱伦·坡在他的《奇遇记》中描绘的神话般的挪威海大旋涡，甚至由儒勒·凡尔纳（Jules
Verne）在他的《绿光》一书中提到的苏格兰赫布里底群岛的巨大冰坑（也不要忘记，在《海底两万俚》一书的结尾，儒勒·凡尔纳让潜水艇“鹦鹉螺”号消失在一个海底深渊里）。
　　旋涡里水的螺旋运动可以分解为圆周运动和朝中心的下落两个部分。圆周运动只有一个与到旋涡中心距离的平方根成反比的切向速度，下落运动则只有一个远小于切向速度并与到中心的距离成反比的径向速度。
　　现在设想有一只机器船冒险驶入旋涡（图35）。船在静水中的最大速度为20公里／小时。在远离旋涡时船显然没有任何困难来克服水的运动的影响，船可以朝任何方向行驶，可以趋近或远离旋涡，可以逆着水流航行，也可以不用抛锚而停在一个固定位置。
　　如果驾驶员决定朝向旋涡行驶，那么终将出现这样一种情况，即在与中心的某一距离上，水的圆周运动速度等于船的最大航速即20公里／小时。在这个临界距离以内，即使船开足马力，也不能保持在一个固定位置上，而是被迫沿着旋涡的旋转方向运动。更准确地说，原先能自由地朝任何方向行驶的船，现在被限制在一个张角以内的范围，这个角由从船的位置射出并与其前方的“航行圈”相切的两条直线组成。这时的船虽然被环向水流拖曳，但仍能沿一条适当的轨道偏转，向外旋出，脱离旋涡。
　　如果这条船仍向内行驶，离旋涡中心太近，以至于水流的径向速度也达到了20公里／小时（环向速度已远大于此），致命的时刻就来到了。航行圈直接落入了旋涡口，正如埃德加·爱伦·坡所写的：“船一被旋涡抓住，就被无可挽回地吸到水底，并被辗成碎片。”
　　转动黑洞周围的克尔几何也像一个大旋涡，旋涡的中心就是黑洞。被引力弯曲的时空也以涡流的方式流动，正像被旋涡卷动的水面。与水里的船类似的，可以是一只飞船，或是任何物质粒子，其最大的允许速度是光速。如图36所示，一个给定点上的航行圈就是标明允许轨道的光锥的空间投影。
　　光锥不仅朝引力中心倾斜，而且被沿黑洞转动的方向拖曳。这种螺线式运动在所谓静止界限以内是不可抗拒的。在这个区域，光的航行圈，即光锥的投影，与其发射点分离，并向前移动，于是飞船就不可能相对于一个固定参考系（例如远处的恒星）保持静止，即使它是以光速航行。
　　更靠近黑洞中心，还有第二个临界面。在那里光锥向内倾斜得很严重，以至于任何东西都不能再进出来，这就是视界，它才是克尔黑洞的真正边界。
　　视界是在静止界眼里面，H者只在两极处相切。克尔黑洞的这两个特征面各有自己的作用。在静止界限上，时间被“冻结”，辐射被无限地红移，但只是在视界上物质才被完全囚禁（史瓦西黑洞的视界一身兼具这两种性质）。
　　这两个面之间的时空区域称为能层，这个名称是由约翰·惠勒由希腊文的“功”一词派生出来的，因为在理论上可以利用这个区域的独特性质来提取黑洞的转动能量。第13竟将再谈到这个惊人的设想。
　　　　　　　　　　奇异环
　　转动黑洞的内部结构比静止黑洞的要复杂得多。第一个重要差别是中心奇点，即时空曲率变成无限大的地方。在转动黑洞里，那不再是一个点，而是一个平躺在赤道面上的圆环，这个环不再是所有物质都必定向其聚集的时空结。现在已有可能避开奇异环而在转动黑洞内部运动，或者是在种面的上、下方运动，或者是从环中穿过。这种探索黑洞的新的可能性将在第门章中讨论。
　　还有一个差别：在黑洞的真实边界以内还有着第二个视界。这个球形面包围着奇异环，并“保护”着内、外视界之间的区域不受奇异性的影响（指从奇异环发出的信号不可能逃出内视界）。随着黑洞角动量的增大，内视界膨胀而外视界收缩，二者趋于重合。作为极限，对于以临界速度转动的极端黑洞，两个视界都将瓦解，只留下一个裸露的引力奇点。
　　　　　　　　　　带电黑洞
　　坍缩成黑洞的恒星通常都有磁场。另外，黑洞还从星际介质中吞噬带电粒子，如电子和质子，因此黑洞就应当还有电磁性质。
　　雷斯勒（H．Reissuer汗1916年，诺斯特朗姆（．Nordstro…于1918年，各自发现了爱因斯坦方程在带电质量产生的引力场情况的一个精确解。这个解是史瓦西解的一个推广形式，即增加了电荷这个参量，它描述带电黑洞视界外部的时空。
　　如果黑洞的电磁性质缩减为只是带有电荷，其前身星的电磁结构（场线，磁极的存在等等）就必然已被大为减化。这里再次是引力波带走了恒星的绝大部分电磁属性，只留下一个总电荷，而且并不是分布在视界上，而是很像基本粒子所带的电荷。这个电荷并不改变黑洞视界的形状，即在黑洞不转动时仍保持完美的球形c
　　黑洞的带电量有一个限度。在这个限度以上视界就会被巨大的电斥力摧毁。保持视界不被破坏所能允许的最大带电量与黑洞质量成正比，对一个10M质量的黑洞来说是电子电量的1040倍。当然，黑洞带正电与带负电的可能性一样大。
　　高度带电黑洞的内部结构与静止的中性黑洞或转动黑洞都有共同之处，与前者共同的是奇异性都只在一个点，与后者共同的则是也多出一个内视界。随着带电量的增大，内视界面积胀大而外视界缩小。当电量达到最大限度时，两个视界重合并同时消失，把中心奇点显露给遥远的天文学家们。
　　对高度带电黑洞的这些描述虽然精巧，却颇有些学究气，因为实际的黑洞很可能是中性的。这与绝大多数常见物质呈电中性是同样道理，即引力与电磁力相比要弱得多。一个宏观物体包含着巨大数量的基本粒于，带有几乎精确相等数量的正电荷和负电荷（分别由质子和电子携带）。电力使这些电荷联系在一起并相互中和。现在来想象一个黑洞已经形成，并带有大量正电荷，接近最大允许的电量。黑洞所处的真实天体物理环境并不是完全真空，而是由质于和电子组成的星际介质。黑洞的引力场同样地吸引着质子和电子，但它的电荷却只吸引异号电荷，即电子，而排斥质子。静电力比乌I力强1040倍，因而在很短的时间里这个黑洞就会捕获足够的电子，并几乎完全地成为电中性。一个“自然”的黑洞所带的电荷不可能大于极限电量的10no。这个电量是如此之小，以至于黑洞电荷的天体物理效应完全可以忽略。
　　　　　　　　　　　　黑洞无毛
　　宇宙中的黑洞也有恒星那样多的种类吗？换句话说，除了质量、角动量和电荷之外，黑洞还能有别的参量吗？
　　对一个物理学家来说，一颗恒星或一块方糖都是极为复杂的物体，因为对它们的完整描述，即包括它们的原子和原子核结构在内的描述，需要有亿万个参量。与此相反，一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体，如果知道了它的质量、角动量和电荷，也就是知道了有关它的一切。
　　黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆，它保持的只是质量、角动量和电荷。这种消繁归简或许是黑洞最基本的特征。约翰·惠勒，这位有关黑洞的大多数术语的发明家，在60年代把这种特征称为“黑洞无毛”。
　　这个开始时只是一种猜测的定理，最近得到了严格的数学证明。这是包括默冬（Meudon）天文台的布兰登·卡特（Brandon
Carter）和澳大利亚的加里·班亭（GaryBunting）在内的半打理论家经15年努力的结果。他们证明，只需要三个参量来描述一个平衡态黑洞周围的时空几何，从而证实了惠勒的表述。对理论家来说，这意味着事情已大为简化：按照这三个参量的重要程度来划分，总共只有四种黑洞（质量作为引力场的源当然总是必不可少的）。这就是：只由质量来表征的球对称、静态的史瓦西黑洞；也是球对称和静态的，但还有电荷的雷斯勒一诺斯特诺姆黑洞；转动而显电中性的克尔黑洞；最后是最一般的平衡态黑洞，转动而且带电，在1965年被计算出来并命名为克尔一纽曼（Newman）黑洞。最后这个解表示着视界以内引力坍缩的唯一的自然的最后状态，其他三个解只是它的某种简化。如前所述，黑洞电荷的作用可以忽略，因此最“现实”的黑洞是由克尔解给予正确的描述。
　　再次是引力波来扫除形成黑洞的物质的所有复杂结构。黑洞的“毛发”都被刮去，只剩下质量、角动量和电荷。这些物理参量表征着形成的黑洞所呈现的两种长程作用，即引力（对质量和角动量）和电磁力（对电荷）。决定原子核结构的短程核作用对黑洞的形成没有贡献。
　　黑洞的参量是可以精确测量出来的，尽管是借助于理想实验。可以把一颗卫星放在围绕黑洞的轨道上，并测量卫星的轨道周期，从而得出黑洞的质量。黑洞的角动量可以通过比较朝向视界的不同部分的光线的偏转来测量。
　　对于一个有一定质量的一般克尔一纽曼黑洞，电荷和角动量都有上限，也就是都受到保证视界存在这一条件的限制。如果在某个大质量恒星的引力坍缩过程中，这个限制被违反了，黑洞就会成为一个探奇点，并能影响到宇宙中的远距离处。然而，物理学家有很好的理由相信，这样一种情况是被自然规律禁止而不会发生的（下一章　将涉及这个重要问题）。
　　既然只由三个参量支配，一个黑洞就像一个基本粒子一样简单。但是，只要考虑一下视界存在的条件，就知道没有别的东西比基本粒子与黑洞更不同的了，尽管基本粒子也是把质量、角动量和电荷集中在一个很小的体积内。以电子为例，实验已经确定出它的质量、角动量（自旅）和电荷。相对于其质量来说，电子的电荷和角动量超过黑洞上限的If倍。这个令人惊愕的数字甚至超过了可观测宇宙中基本粒子的总数，而这正是一个电子与一个克尔f
纽曼黑洞之间差异的量度（这决不是说电子是一个探奇点）。
　　　　　　　　　　　
　　地图并不是实地。
　　　　　　　　　——阿尔弗雷德·柯齐伯斯基（ Alfnd KOrzyhski）
　　　　　　　　　　　　　黑与白
　　人的头脑对对称有一种天生的爱好。自古以来，物理学家一直在试图依据基本对称性来分析自然界的现象。使人惊奇的是，这种方法常常取得成功。一个极好的例子是“反粒子”，先有理论预言，然后很快为实验所证实。在基础物理的最新发展中，对称性比以往任何时候都更重要。
　　黑洞也有一个与之对称的反面，就是白洞，这是一种从隐藏在视界之后的区域发出的引力外流。早期对白洞的解释导致这样一种普遍的印象，即人可以进入黑洞，再通过一个连结黑洞与白洞的“咽喉”而从白洞中出来，从而可以瞬时地从宇宙的一个部分旅行到另一部分。这种印象无疑增添了黑洞对公众的唯力，但对那些不熟悉广义相对论的科学家来说却是降低了黑洞的可信性。
　　白洞的真实情形是怎样的呢？我们必须重新考查真实世界与其数学表述之间的关系，或者土地与地图之间的关系这个微妙问题。物理定律中最常见的一种对称性是时间反演。在伽利略和牛顿的力学，菲涅尔（Fresnel）的光学，麦克斯韦的电磁学和爱因斯坦的相对论里，所有的方程都对时间对称，因此才可以在一个给定坐标系，从一个给定时刻来计算行星、光线或电子将来的和过去的轨道。但是，这并不意味着自然界对时间流是无差异的。例如，离开恒星表面的光线实际上是射向将来，而不是返回过去。
　　换句话说，物理方程的解并不是～定在真实世界中存在，然而，区分真实解与虚构解并不总是一件容易事。尤其是在考虑对称解的物理解释时，更需要格外小心，即使这些解在美学上很有吸引力。
　　丹尼斯’萨顿（Dennis
Sutton）这样写道：“科学的前沿总是一种由新的真实、合理的假设和轻狂的猜想组成的古怪混合。”这段引言很适用于本书。我们现在可以这样说，广义相对论属于上述混合中的第一种成分，黑洞属于第二种，而白洞则是第三种。不过，公平地说，有些最“轻狂”的猜想曾经推动了科学的发展。有鉴于此，白洞还是值得留意的。事实上，白洞的增力已经增大，这是因为对它的研究有一种未必适合于公众，对许多科学家来说却是湛成为原动力的乐趣。那么，我们也来试试吧。
　　　　　　　　　　　　“镶嵌”游戏
　　每当试图理解一个抽象概念时，一再出现的问题就是如何使之形象化。以时空为例，被物质弯曲的“时空软体”与被石块压弯的橡皮带之间的类比，使我们能够在一定程度上表示出抽象的四维几何的弯曲特征。借助于一种被称为“镶嵌”的数学技巧，可以对时空弯曲作出严格的描述。
　　顾名思义，这种技巧是这样来显示～个给定空间的形状，就是把它镶嵌进一个多出一维的空间里。例如，一个圆环（一维）的形状，很容易由镶嵌进一个平面（二维）来显示；一个球面（二维）也能容易地由镶嵌进通常的欧几里德空间（三维）来显示。
　　这种技巧对于完整的四维时空连续体是没有用处的，因为必须把它镶嵌进一个五维空间里，而这是无法去想象的（甚至在数学上也不可能把一个四维时空镶嵌进五维欧氏空间里）。幸运的是，这种技巧还有不少别的招式可供采用。
　　例如，可以假定时空是静态的，就是说空间几何在任何时间都保持不变，把这种情况的时空显示为一种瞬时的时间切片，不会有任何信息损失。更进一步，如果空间几何是球对称的，则可以只看通过球心的赤道面切片，也不会有信息损失。因此，可以很容易地把一个静态球对称时空切成二维薄片，而不会失去有关完整时空的弯曲状况的任何信息。二维切片的所有详情，当然就可以通过嵌进一个三维欧氏空间而显示出来（这里的三维欧氏空间只是假想来用作“包含”时空切片的）。
　　作为上述方法的实际应用，且看被一颗平衡态球形恒星（如太阳）所弄弯的时空。由于恒星内部和外部的几何都是静态的，瞬时赤道面切片全都具有同样的形式，如图39的曲面所示。
　　这个曲面的形状会使人联想到一块被石头的重量压弯的塑料布。整个曲面被分成两部分，延伸到无限远的部分表示恒星外部的时空，这是史瓦西几何的区域；另一部分为恒星自身所占有，其精确形状有赖于恒星的内部结构，但总保持与一个球面的一部分相似。由于恒星没有坍缩，史瓦西临界半径r一ZM是在恒星内部，也没有中心奇点，就是说这个坑的曲率完全正常。
　　这种表示法既能提供完整信息又很严格，已经在图历中用来表示经过太阳附近光线的弯曲。
　　　　　　　　　　　　　虫洞
　　这些穴居的类型会挖掘临时的或永久的地道。沙虫生活在一种简单的U形地道里。
　　——《百科全书》“环节动物”
　　现在将镶嵌技术用于球形黑洞，由图40所示，惊人的事发生了：镶嵌面是由一个抛物面形（一条抛物线绕其对称轴旋转所产生的曲面）喉道连接着的两个截然不同而又相互对称的时空片。怎么解释这个意外的形状呢？与普通恒星的情形不同，这里只有黑洞外部的时空能被显示。喉道有一个最小半径，等于史瓦西半径r—ZM，因而视界，即黑洞的边界，缩减成一个圆环。
　　暂且忘掉镶嵌面的双重结构，只注意其上片（图41）。它延伸到无限远，曲率随着与喉道距离的增大而缓慢减小，就是说它是渐近平坦的。自由下落粒子和光线的轨迹是曲面上的“直”线，即测地线。越靠近引力讲，这些线就越是弯曲。有些测地线陷入阶中很深，以至于重新出来时会自我相交，而那些与喉道的中心环即视界相遇的，就不能再逃出来。
　　图42将上述测地线投影到与视界环平行的平面P上。所得结果极好地说明了等效原理，也解释了牛顿平直宇宙这种错觉的由来。在牛顿宇宙里，粒子轨道偏离直线是由于一种“力”的吸引；而按照广义相对论，粒子是在弯曲几何的背景上自由行进。
　　再回到图40的整个镶嵌面。史瓦西喉（也叫爱因斯坦一罗森桥）连接着上、下两片完全对称和渐近平坦的时空，姑且把它们看作“并存的宇宙”。从上片进入喉道的测地线似乎能够由下片离开。也就是说，史瓦西喉在上宇宙看来是吞噬物质的黑洞，对下宇宙来说却表现为驱逐物质的“反黑洞”。不需要有多大想象力，就可以给这种反黑洞起名为白洞，或者更准确地称为白泉（把形容词和名词都颠倒）。
　　镶嵌游戏还可以玩得更使人困窘。我们记得广义相对论只能确定时空流形的局域曲率，而不是其整体形状，尤其是，这个理论允许两个渐近平坦的时空片作为同一个宇宙的两个不同区域。从数学上讲，这两个片可以在距喉道很远处相交，并合并成一个面。图43中的操作给出史瓦西几何的一个瞬时赤道切片。
　　但仍有～个问题。真实宇宙中恒星、星系甚至黑洞之间的距离都很大，除了引力场源附近外，时空都是近乎局域平坦的。那么，两个时空片遥远接合处的U形弯曲似乎就不合理，但实际上并非如此。数学上可以等价地把时空连续体表示成图44中的展开形式。现在在同一个时空流形里有相隔任意距离的黑洞和白洞，连接二者的是一条伸展的喉道，被约翰·惠勒命名为“虫洞”。
　　史瓦西几何的双重性引发了关于太空旅行的过度畅想，难道真有可能进入黑洞，通过喉道，再从白洞中出来，从而到达宇宙中别的什么地方，或甚至到达另一个“并存宇宙”吗？
　　　　　　　　　　克鲁斯卡游戏
　　为回答这个有趣的问题，需要知道在史瓦西喉内部会发生什么。但是，镶嵌游戏只能让我们描绘出外部时空，尤其是，隐藏在黑洞中心的奇点不能由镶嵌显示出来。实际上这个奇点可以有双重作用：控制着自由下落的最后结局，或是成为白洞。要证明这一点，就得玩一种更好的游戏，比如克鲁斯卡（M·－Kruskal）在1960年发明的那种。
　　克鲁斯卡给出的是一幅非常完整的时空图，它能在一个平面上显示出史瓦西黑洞的中心区域。对它的解释虽不那么直截了当，但它是如此重要和便利，因此，值得花点功夫去研究。
　　把一个二维曲面投影在一个平面上，这就是制图。大多数曲面不可能被不失真地绘制出来，最熟知的例子就是地图，它把地球表面的全部或一部分表现在一个平面上。绘制地图有多种方法，最常用的一种是梅卡托（Mercator）投影法，就是将靠近赤道的区域精确地描绘，越靠近两极失真就越厉害。大家可能已经注意到，格陵兰是被放大了，它看上去几乎同澳大利亚一样大，而实际上比后者小三倍半。
　　克鲁斯卡图是通过“强迫”光锥保持刚性来把移去了两个空间维度的史瓦西时空几何投影到一个平面上。我们记得在没有引力的时空里，所有事件上的光锥都互相平行，其母线都倾斜45”；而在有引力场时，光锥会变形，并依曲率大小而以不同角度偏转。克鲁斯卡投影要求史瓦西时空的光锥像在平直时空中那样保持互相平行。这叫作保角投影，是几何学中的一个术语，意指角度保持不变。这样做的代价是图上的时间和空间出现大量的失真，但这并不影响对由光锥来揭示的时空几何的详细分析。
　　克鲁斯卡图（图45）的时空失真表现为，具有恒定表现时间的轨道是通过原点的直线，而与黑洞中心距离不变的轨道成了抛物线。视界则一身兼二任，既与中心有着恒定距离r—ZM，又有着无限长的表现时间人因而它在平面上被画成两条倾斜45“的等分线，也可以看作是双曲线缩并成的渐近线，而且，由光线所规定出来的视界本身也就是一个光锥，所以就也被分成两半：一个将来视界和一个过去视界。
　　在视界以内，引力奇点r—0也成为两条双曲线，一条在过去，一条在将来。图上越过这两条极限线的区域不具有任何意义。黑洞以外的宇宙由两个对称的部分组成，一个在图的右方，另一个在左方。
　　在克鲁斯卡图上物体是怎样运动的呢？光锥的作用正是能用以形象化地显示视界以内和以外的所有允许的运动。这些运动轨线必须都保持在光锥内部，也就是说，它们不可能与垂直方向偏离45“以上。
　　作为一个例子，考虑一只落入黑洞和中心奇点的飞船（曲线ABCDE）。飞船发出的电磁信号沿45“方向行进（图中虚线）。自身世界线为双曲线的远处观测者只能收到在AB和C
处发出的信号，随着飞船趋近黑洞，接收信号的红移增大，表现时间冻结现象很自然地出现。飞船穿越视界时红移变得无限大，光线沿着视界无限期地绕行，经过无限长时间后才能到达观测者处。飞船越过视界以后在E点发出的信号不可能逃出黑洞，而是注定要消失在将来奇点里。
　　克鲁斯卡图揭示了史瓦西时空最本质的结构，对白洞、虫洞和到“另一个宇宙”旅行等问题作出了明确的回答。视界与奇点之间的区域确实是一个洞，但是是什么颜色的呢？显然，黑洞这个名称必定与飞船落入的将来视界（上半部）相联系。另～方面，注意由洞内F点发射的粒子和电磁信号可以很容易地离开视界而进人外部宇宙，因此，过去视界的内部（下半部）就是一个白洞，物质从中飞出，与坍缩正相反。
　　还剩下关于对称的时空片，即右方和左方的外部宇宙的问题。只要再看一下克鲁斯卡图就能认识到，从外部宇宙的一片到另一片而又不通过奇点是绝不可能的。换句话说，史瓦西喉在中途被中心奇点的无限强引力场卡死了，没有任何东西能够通过。
　　　　　　　　　　原初白洞
　　可予驳斥也是理论的一种魅力，而且不是最小的一种。
　　　　　　　　　　　　——茨切（F·NietZSChe）《超越善恶》
　　任何一个曾羡慕过爱丽丝仙境奇遇的人现在开始觉得有点灰心了，史瓦西黑洞作出了对另一个宇宙的闪光预测，是那么诱人，然而探索的道路被奇点阻塞了。
　　让我们对此坦然接受吧。在生活中，每当我们希望的事没有发生时，我们总安慰自己说，那毕竟是不可能发生的。这种论证适用于白洞。这一节再来考察真实世界，考察实地，而不是地图。
　　真实世界是过于复杂了。物理学家为理解观察到的现象所能做的最好事情就是建立数学模型，而模型只是真实事物的理想化图像而已。再考虑一下克鲁斯卡图，这是探索黑洞内部时空的一个极其有效的工具，但是显然仍是理想化的：它假定引力源是集中在一个奇点上，奇点总是存在，周围是真空，并隐藏在视界后面。然而在真实宇宙里，黑洞是怎么形成的呢？很可能是通过引力坍缩，而这个过程与克鲁斯卡图所显示的对称状态是大不相同的。
　　再暂时回到图39中未坍缩恒星周围的镶嵌面，我们记得只有恒星外部时空由史瓦西几何区域表示出来了，其余部分，即恒星内部，是由一种很不同的几何来描述的，它取决于恒星物质的构造，并且不包含奇点。这就使人产生了疑虑，即如果一颗恒星在坍缩，那么只有它将来的事才有物理意义，即将来视界的形成和奇点在将来的形成，而坍缩过程本身怎么不考虑呢？
　　随着恒星的坍缩，其结构和外部时空时刻都在变化。为着描述演化着的几何，必须在镶嵌图中重新引入时间。图46就是这样做的，其中既有镶嵌面的演化序列，也有图27已给过的完整时空图。时空“弹性片”越来越严重地被坍缩着的恒星所变形，但当黑洞形成时，时空片并不形成一个通往另一宇宙的史瓦西喉，而是形成一个尖点，整个恒星消失于其中。
　　同以前一样，镶嵌技术对显示视界以内的时空无能为力，仍然需要克鲁斯卡图，图47就是显示球形恒星坍缩的克鲁斯卡图。过去视界、过去奇点和外部宇宙的对称片全都不复出现。留在那里的只是视界以外的史瓦西几何区、黑洞和将来奇点。
　　这样看来，球形黑洞时空的双重性只不过是一种数学珍闻，是由完整史瓦西解的理想化的对称性制造出来的。白洞、虫洞和并存宇宙都不可能由真实宇宙中球形恒星的引力坍缩来形成。
　　那么又为什么要花这么多篇幅来讨论这些呢？有两个缘故。首先，恒星实际上并不是严格球形的，后面将会看到，转动黑洞会造出无数的虫洞，物理学还没有什么高招来阻塞它们；其次，有的黑洞可能并不由恒星的引力坍绩而形成，而是作为“初始条件”的一部分，从宇宙创生时起就已存在。
　　一般说来，物理学家并不喜欢假定很特殊的初始条件。在这点上，他们与牛顿的一位同时代人阿奇比肖普·乌歇（ArchbishopUssher）不同，此公在1658年断言，宇宙是在公元前日早上9点钟，连同人类、动物、植物和化石一起被创造成现在这个样子的。现代物理学家宁愿想象宇宙是诞生于混饨之中，起始于任意条件，而物质结构只是在后来的演化中出现。这个论点所依据的是“简单性原理”，或称为“奥克姆剃刀”，得名于14世纪的一位英国神学家。他规定，如果有一组理论都能解释同一件事，则可取的总是最简单即需要最少假设的那一个。然而，尽管简单性原理具有美学的勉力，逻辑上却并不是必要的，而“预置”黑洞的假设现在还不能被排除，只有这种类型的黑洞才能伴随有相对称的白洞。
　　原初白洞是个什么样子呢？由白洞发出的辐射将受到两个相反效应的影响：一个是爱因斯坦红移（频率减小），因为辐射是从强引力场中发出；另一个是多普勒蓝移（频率增大），由于离开白洞的物质朝向观测者的膨胀运动而产生。有一种极其明亮和遥远的恒星状天体，被称为类星体，其本质现在仍是奥秘。在它们于60年代初期被发现时，有些天体物理学家猜想，那或许是白洞，形成于宇宙早期，即我们宇宙得以诞生的那场150亿年前的“大爆炸”之后不久。
　　除了很特殊的初始条件这一点遭受非议外，这个模型还有一个致命的缺陷：从白洞喷射出来的物质会与周围物质碰撞，被减速到如此地步，以至于会往回坍缩，形成黑洞。在第四篇中将会看到，目前流行的类星体模型也很诱人，它也要有洞，但却是黑的，而且是巨大的。
　　　　　　　　　　　彭罗斯游戏
　　一个四岁孩子能懂得这个报告，去给我找个四岁孩子来，我可是一点都摸不着头脑。
　　　　　　　　　　　　　　　——罗乔·马克斯（GrouchO Marx）
　　我们对黑洞的探索还远未完结，真实的黑洞是转动的，其内部结构比静止的史瓦西黑洞复杂得多。要对此有所理解，就必须使用最后一种、也是最精致的一种图，它由英国牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯（orger
Penrose）发明，并已被布兰登·卡特应用于对黑洞的完整描述。
　　这个游戏有两条规则：第一，它像克鲁斯卡图一样是保角的，就是说光锥像零曲率时那样保持平直；第二，它把无限性引入有限的距离中。彭罗斯图因而能在一张纸上表现出一个黑洞和整个宇宙，把无限空间和无限时间都包括在内。
　　不妨从明可夫斯基平直时空开始，这种情况的彭罗斯图是图础的“钻石”。这并不奇怪，因为除了运动方向与垂向的夹角不超过45”这一要求外，没有什么别的因素来影响物质和辐射的轨道。狭义相对论的宇宙，没有引力，只是一片均匀的平坦的沙漠。
　　现在来看静态史瓦西黑洞的彭罗斯图（图49），它与克鲁斯卡图几乎没有什么不同，只是现在时空有着以图上的有限长度来表示的边界。它清楚地显示，史瓦西奇点一一一一一一为过去奇点和将来奇点一一一一Th时空边界，就像曾由无限来表示的边界一样。这个奇点是水平直线，没有任何进入黑洞的世界线能避开它。它是类空的（即与空间轴平行），标志着所有黑洞探索者的严格意义上的时间终点（对宇航员来说，过去奇点并不意味着任何危险，因49静止黑洞的彭罗斯图。史瓦西黑洞时空全部被包容在一个六边形里，角顶由数字1至6标记。外部时空的双重结构清楚可见（左、右两个以视界和零无限线为边界的正方形）。上、下两个由视界和奇点围成的三角形分别是黑洞和白洞的内部宇宙。从一个初始位置0出发的几条可能运动路线已画出。以恒定加速度远离黑洞的宇航员沿A线行进，其速度趋于光速。与黑洞保持恒定距离的宇航员的世界线是B线，必定终止于用项l。C线则是探索黑洞内部的宇航员的世界线，一旦他越过视界，时空结构就有了根本改变。在黑洞外，与黑洞距离恒定的世界线必须是从项角3到顶角1（或者在对称片中是从顶角4到6）；但在黑洞内，恒定位置线连接1和动或者3和心这些线越过光健，因而是被禁止的。在黑洞内保持在一个固定位置上是不可能的，就像在外部宇宙不可能保持在一个固定时间上～样。最后，虚线D
是经过史瓦西喉从外部宇宙的一片到另一片的路径，避开了中心奇点，但这是不可能做到的，因为需要超光速运动．史瓦西喉仍被奇点阻塞。因为要碰上它就必须使时间倒流）。
　　除了奇点的性质外，还能由彭罗斯图很容易地看到黑洞内部时空的基本特征，这当然已经是熟知的了：视界以外和以内区域都有的双片结构，黑洞内时间和空间方向的互换并使得保持在一个固定位置上成为不可能，以及通过史瓦西喉由一个外部时空进入另一个的不可能性。
　　　　　　　　　　狭长的通道
　　彭罗斯图真正显示威力是在它运用于转动黑洞所造就的克尔时空时，所得到的图比静止黑洞的要复杂得多（图50）。它由向过去和将来都无限重复的方块组成。黑洞有无数个外部宇宙和无数个内部宇宙！
　　外部宇宙以零无限和视界为边界。每个内宇宙都有一个奇点并被分成几个区域。转动黑洞有一个包围着中心奇点的内视界。每越过一个视界，时间和空间就互换方向，在从外部宇宙到奇点的途中会出现两次换向，于是，在内视界以内时间和空间的方向与黑洞外面正好一样。
　　这就是为什么奇点是垂直线而非水平线的缘故。事实上它甚至已不再是时空边界，在奇点的另一侧还有一个区域。只要记得现在的奇点已不再是静止黑洞里那个r—0处的中心点，而是一个躺在赤道面上的圆环，那么它另一侧的区域是容易理解的（见图对）。这个环并不规定时空几何的边界，宇航员可以穿过它。转动黑洞的奇异环因而不具有静止黑洞奇点的那种不宽容性。它并不是类空的而是类时的奇性（即与时间轴平行），因此对黑洞探索者来说它并不表示时间的终结（除非他们笨到完全贴着赤道面航行）。除非是由于潮汐力的危险，否则探索者可以来到与奇异环间不容发之处，只要不碰上它就行，他甚至能亲眼看看究竟光信号能否从环上发出来。
　　至于奇点的另一侧，那是一个空间上无限的时空区域，其中的距离是“负”的。这种表面上的荒谬被解释为引力吸引性的反转，引力变成斥力，迫使物质由奇点无限地远离。
　　转动黑洞的丰富结构为许多种极诱人的探索提供了可能性。图50中的路线A显示了探索奇点另一侧的反引力宇宙的可能性。路线B和C表明，穿透黑洞内部、飞越苛点，并出现于别的外部宇宙，这在理论上是可能的，当然以很大的黑洞为宜，因为只有这样飞船才不至于被潮汐力摧毁。但是，路线D是不允许的，因为它越出了光锥，所以，即使是在这个图上，仍然有一部分时空是被严格禁止去探索的。
　　　　　　　　　　　时间机器
　　只凭常识，无论如何尝试，急难免不时感到惊讶。科学的目的正是要从这种惊讶中拯救常识。
　　　　　　　　　　——日特兰·罗素（Bertraod RUS8em
　　彭罗斯图的确使我们内心感到疑虑重红一个宇宙可以分成许多片，因而就有许多个外部宇宙，这真是令人费解，尽管按照广义相对论是完全可以接受的。转动黑洞把无数个虫洞接在时空见何的不同部分上。由于两个事件既可以在时间上也可以在空间上相区分，因而至少原则上就可能做到，在一个给定时刻从～个给定位置通过一个仔细选择的虫洞而到达同一个位置，但却是在过去或将来的一个不同时刻。也就是说，黑洞可以作为一种跨越时间的机器。
　　科学史已经多次证明，今天看来是荒谬的东西，明天可能成为普遍接受的事实。然而，时间倒退的旅行简直是对常识的侮辱，怎能想象一个人可以倒退到从前，把自己的祖父在还没有孩子时就给杀掉呢？假若是这样，这个凶手自己就不会被生出来，那当然就谈不上去杀祖父，那么祖父就又可以有后代，而他的后代又可以去杀他，如此等等。这个时间怪论是由一位法国作家雷纳·巴雅瓦（Rene
Barjavel）在题为《轻率的旅行》的小说里讲述的。
　　返回过去的旅行违反了要求原因总是在效果之前的因果律（见“光使时空联姻”一节），但是，因果律是一条由逻辑，而不是由相对论制定的规则，它在狭义相对论里无可置疑，而那里没有引力。现在，以超光速运动退回过去也同样绝对不允许。但是在广义相对论里，宇宙被引力所弯曲，时空几何被变形＜例如，由于～个转动黑洞），因而使得不必作超光速运动就能去探索过去。
　　如果回到过去是可能的，常识不就全崩溃了吗？并非如此。如果我们把因果律代之以目洽律，即规定一个物理系统的演化必须自相一致，那么回到过去也是允许的。巴雅瓦所描述的情况（人杀死祖先）显然是不自洽的。但是喜爱难题的理论家们竟然想出了那么复杂的反因果情景，使得常识大力困惑。
　　为解脱困境，我们能否论证由黑洞导致的潜在性反因果扭曲只是一种数学假象，当一颗转动恒星坍编成黑洞时实际并不发生呢？在球对称情况可以一步步地跟踪收缩恒星外部和内部几何的演化，并由一张克鲁斯卡图或一组镶嵌图看到白洞和反宇宙这些令人为难的现象被自然地排除。不幸的是，在非球对称情况我们并不知道怎样严格地描绘转动恒星的外部或内部时空见何。几何会不断地被引力波扰动，只有当黑洞已经形成时克尔几何才得以建立。最近的计算已经证明，任何进入转动黑洞的物质或辐射，其能量会被引力场大为增强，以至于其目引力将改变时空并阻塞虫洞。理论家们已经向自己提问，在什么条件下～个宏观的虫洞（例如与～个巨黑洞相联系的，于是潮汐力就不会太强）能够不受物质进入（例如一艘飞船）的影响而保持开放？我记得，在1976年即我开始研究广义相对论的那一年，一个很严肃的基金会（培根基金会）曾悬赏300英镑来征求下述问题的解：“按照目前的理论，转动黑洞是通往其他时空区域的真实人口，那么一个飞行器怎样才能通过一个转动黑洞进入另一个时空区域，而不被奇点的引力场摧毁？”作为这个领域的一名新手，我显然没有能力去赢得这笔奖金，甚至不能去尝试。我不知道是否有任何人得了这个奖，但可以肯定的是这个问题直到1985年还没有解决，不过换成了一种更奇异的表述方式：看来只有那些由能产生巨大“负压力”的物质交织成的虫洞才是稳定的。负压力是一种张力，就像被拉伸的弹簧中的力。在通常物质中张力总是远小于能量（例如，钢的断裂张力比它每单位体积内包含的能量小1
亿倍），而在赖以使虫洞稳定的物质中，这个比率要颠倒过来。所有这些显然是高度思辨性的，没有人对这种“负”物质能否在自然界存在有丝毫的主意。为着有效地利用这些时空捷径，我们也许不得不这样来建造“负”虫洞，就是让一个微型负虫洞增长。就算这个异想天开的主意能行，我们仍然不知道一只用正常物质制造的飞船能否安全地通过这个负能量区域。这种似理论又似艺术的含糊可能性使一位著名的美国天文学家兼作家卡尔·萨甘（CarlSagan）得以构思出他的小说《接触人其中与地外文明的联系正是借助于虫洞。尽管那故事很有刺激性，却纯粹是虚构，恐怕也永远只是虚构。
　　　　　　　　　　　　引力奇点
　　对因果律的可能违反并不真正危及黑洞理论，但却提出了奇点的本质和时空“精细”结构的问题，这里我们到达了当代物理学的前沿。
　　首先可以提问，那无限地毁灭物质和时空几何的奇点的出现，会不会只是过于幼稚地应用广义相对论于引力坍缩问题的结果。奇点还在更广阔的背景中出现于宇宙学，这是天体物理的一个从整体上来研究宇宙演化的分支。按照大爆炸理论，宇宙在大约150亿年前诞生于一个奇点。这个理论受到宇宙膨胀和宇宙微波辐射等观测事实的有力支持，后者是宇宙爆炸的冷却残余。但在宇宙学里也和别处一样，用以描述宇宙的过去和现在状态的模型是高度理想化的，因而似乎就有理由怀疑宇宙奇点会不会也只是数学简化所带来的一个不必要的附产品。
　　但研究表明并非如此。两位英国学者，剑桥大学的史蒂芬·霍金（StCPhenHawking）和发明保角图的罗杰·彭罗斯，在60年代证明，奇点是广义相对论的一个必不可少的组成部分。一个真实恒星的引力坍缩是否一定导致视界和黑洞的形成，对此尚不明确；但是坍缩的结局是不可避免地成为奇点，却是确定无疑。霍金和彭罗斯还确认，如果反推到宇宙的过去，所有能确实与现在的观测结果符合的宇宙模型都必须由奇点开始。如果宇宙包含有足够的物质，它甚至还会再终结于一个奇点，因为膨胀状态终将会被一个对称的收缩态取代。那时将是全宇宙在坍缩。
　　这些非常重要的定理推广了牛顿引力理论已经知道的结果：一团由尘埃粒子组成的云会由于粒子的相互吸引而收缩成无限大密度的奇点。于是，奇点已成为引力的吸弓胜和“自加速”性的不可避免的结果。我们怎样去勇敢地对付它呢？
　　　　　　　　　　　　　宇宙监督
　　自然界喜欢隐藏自己。
　　　　　　　　　——拉克里特（Heracli山s）（公元前500年）
　　恒星引力坍缩成奇点以两种方式之一进行，取决于黑洞形成与否。如果黑洞形成，则视界将掩盖其内部的一切，包括物质被最后塞入奇点。这种情况发生于球对称坍缩，对于生活在外部宇宙的物理学家来说，奇点是否形成也无关紧要。由于黑洞内部不可能与外部联络，在奇点附近自然定律和常识可能都被推翻，但外界的物理学家对此一无所知。
　　第二种可能性是，奇点形成，没有黑洞来掩盖。比如说，设想一个快速转动的大质量恒星在坍缩时保留的角动量超过了临界值，由于离心力，稳定的黑洞视界不可能形成，奇点成为裸露，粒子或电磁信号可以从它那里逃出，并在远处被观测到。由于奇点所具有的无限性，它对时空见何的影响完全不可预测。没有视界的保护，物理学家就得失业，因为今天做的所有计算和预言，明天就会由于探奇点的捣乱而变得一无是处。
　　显然，宇宙中从来没有观测到探奇点，但这并不能证明它们不存在。为了脱离这个困境，罗杰·彭罗斯提出了一个假设：自然界禁止探奇点存在。按照这个假设，引力坍缩总是使奇点被包在视界里面，这就是所谓宇宙监督。
　　宇宙监督的思想很能使人消除忧虑，但是从来没有在广义相对论里被严格证明。对于与球对称相差不大的情况，这个假设是成立的，但对更极端的情况问题仍然悬而未决。更令人困惑不解的是，被认为是我们宇宙在150亿年前以之诞生的宇宙奇点，并没有隐藏在一个视界之后。
　　　　　　　　　　　　　量子引力
　　假如上帝在创造世界之前问问我，我会建议他搞得简单些。
　　　　　　　　　　　　　　　　——阿尔玛索十世（AIPhonse）（13世纪）
　　即使宇宙监督假设能被严格证明，它仍然不能解决引力“反常”的问题。奇异环，虽然隐藏在转动黑洞里，却允许物体穿过虫洞，因而意味着因果律被破坏。
　　所以，真正的问题并不是要知道探奇点是否有所冒犯，而是它们在真实世界中究竟是否存在。为作出回答，必须追溯到问题的根源——广义相对论。一个给出含有无限大物理量的结构的理论怎么能够是正确的呢？
　　科学常常产生出有奇异性的理论，而随着理论的改进，奇异性又得以被消除。一个很好的例子是原子的早期模型，它把原子看作一个由电力控制的微型太阳系。按照本世纪初由恩斯特·卢瑟福（Emest
Rutherford）建立的理论，围绕原子核运转的电子必然会很快地损失能量并掉到核上，但是我们的经验表明原子是稳定的，卢瑟福原子的反常行为只能说明理论是不完善的。量子物理的发展解决了这个难题，在这个新理论里电子的能级是量子化的，于是模型原子被稳定，奇异性被除去。
　　与广义相对论作一下类比是很有启发性的。霍金和彭罗斯所证明的引力奇异性的发生，可能表明理论被运用到了其适用范围之外，鼻子物理能对此也作出补救吗？
　　答案的第一部分显由对霍金和彭罗斯理论的更严格的检查所得到的。他们的结论依赖于一个看来是合理的假设，即物质具有正能量。这个条件对所有已知的物质形式显然是成立的，包括中子星这样的虽然不能在实验室仿制，但却可以由我们对核物质的知识来外推的极端形式。但是，即使所有的“经典”物质都有正能量，量子物质却未必如此。最近的计算已经显示，基本粒子物理的某些现象违反了正能条件（例如按照量子力学所可能发生的真空中粒子的自发生成，见第14章）。
　　这正是问题的关键。虽然广义相对论是迄今最好的引力理论，它显然仍是不完善的，因为它没有考虑支配微观世界演化的量子力学原理，而奇点现象恰恰涉及很小尺度的时空结构。一个经典理论运用于量子领域而出现恼人的奇异性，也就不足为怪了。
　　但是量子力学与广义相对论之间的关系似乎又很疏远。前者支配着基本粒子的领域，粒子在核力作用下在很小的范围内运动，其主要特点是对现象作出“模糊”的描述，即只能计算事件发生的几率。电磁力则支配着包括人类自身在内的过渡区域。在有些现象里（激光、晶体管等等）量子力学起着决定性的作用，而在别的现象里（无线电波的传播等等）其作用可以忽略。最后，在天文尺度上，量子效应完全不见，而由广义相对论描述的“经典”引力接管了一切。
　　但是，用谢尔顿·格拉肖（Sheldon
Glashow，1979年诺贝尔物理学奖获得者）的话来说，很有可能“蛇在吃自己的尾”。有的物理学家相信，在小于10ry3厘米的尺度，引力是起支配作用的力。这个极小的长度是一个世纪前由马克斯·普朗克在另一个意义上引入的，它由把自然界的基本常数（引力常数、光速和普朗克常数）作出机智的组合而得到，而与基本粒子的性质无关。它表示这样一个最小尺度，在它之上的时空见何可以被看作是平滑的，在它之下时空组织本身不再是连续的，而是像能量和物质一样，也由小颗粒组成。按照约翰·惠勒的说法，“广义相对论与量子力学之间的热烈婚礼”将在这里完成，而产儿显然将被取名为量子引力。
　　注意这里用的是将来时，因为量子引力与其说是一个理论，不如说还只是一个想法。爱因斯坦在他一生的后40年中试图统一广义相对论和量子力学，却劳而无功。今天，数以百计的理论家仍在致力于这项艰难的工作，除了令人沮丧的数学困难之外，更糟的是没有任何具体实验资料。无论是在距离上还是在能量上，这个研究领域都与实验室相去太远。现在可能做到的是，使用大型的粒子加速器来探测与质子这样的基本粒子半径相当的距离，即10’3厘米量级（用粒子加速器能得到的最高能量使我们能探测到10－‘6厘米尺度的物质性质），但是这与量子时空之间仍然如隔天堑：质子半径与普朗克长度之比，大约等于银河系半径与人的身高之比。
　　对当代物理学来说幸运的是，不管条件如何不利，新思想却层出不穷。约翰·惠勒提出，由于量子涨落的搅动，微观时空几何是湍动的和不断改变的。这可以用海面来作比拟（图利）。从飞机上看去，海面显得很平整；降低高度再看，海面仍是连续的，但是有起伏；再靠近去，它就变得汹涌翻腾，甚至成了不连续的，因为当波浪碎开时，可以看到抛散在空中的水滴。同样的道理，虽然时空结构在我们所处的高度看去是连续的，但在普朗克长度的尺度上它的“泡沫”就会显而易见，并且能够产生出“水滴”，也就是那些基本粒子。
　　阐发这个思想的最新尝试是求助于所谓“超空间”，其中的维