黑洞-第16章
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桑↗ules 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）。第十二章 图形游戏
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
