黑洞-第20部分

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　　　　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4004年10月23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（Roger　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