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黑洞-第15部分
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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”�
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