尽管这个话题很复杂，普林斯顿大学教授斯蒂芬·古布瑟还是对当今最具争议的物理学领域之一提供了简洁、通俗易懂且有趣的介绍。 黑洞是真实的物体，而不仅仅是一个思想实验！ 从理论角度来看，黑洞非常方便，因为它们在数学上比大多数天体物理物体（例如恒星）简单得多。 当事实证明黑洞并不是真的那么黑时，事情就变得奇怪了。
它们里面到底是什么？ 你怎么能想象掉进黑洞呢？ 或者也许我们已经陷入其中只是还不知道？
在克尔几何中，存在完全封闭在能层中的测地轨道，具有以下属性：沿着它们运动的粒子具有负势能，其绝对值超过这些粒子的静止质量和动能的总和。 这意味着这些粒子的总能量为负。 彭罗斯过程中使用的就是这种情况。 在能层内，提取能量的飞船会发射一枚射弹，使其沿着其中一个带有负能量的轨道移动。 根据能量守恒定律，船舶获得足够的动能来补偿相当于弹丸能量的损失的静止质量，此外还获得相当于弹丸净负能量的正当量。 由于射弹发射后会消失在黑洞中，因此用某种废物来制造它会很好。 一方面，黑洞仍然会吃掉任何东西，但另一方面，它会返回给我们比我们投入的更多的能量。 所以，此外，我们购买的能源将是“绿色”的！
从克尔黑洞中提取的最大能量取决于黑洞旋转的速度。 在最极端的情况下（在最大可能的旋转速度下），时空的旋转能量约占黑洞总能量的29%。 这可能看起来不多，但请记住，它只是总静止质量的一小部分！ 为了进行比较，请记住，由放射性衰变能驱动的核反应堆使用的能量不到相当于静止质量的百分之一的十分之一。
旋转黑洞视界内的时空几何形状与史瓦西时空截然不同。 让我们跟随我们的探索，看看会发生什么。 乍一看，一切看起来都与史瓦西案相似。 和以前一样，时空开始塌缩，将所有物体都拖向黑洞中心，潮汐力开始增强。 但在克尔的情况下，在半径变为零之前，塌缩速度减慢并开始逆转。 在快速旋转的黑洞中，这种情况早在潮汐力变得强大到足以威胁探测器的完整性之前就会发生。 为了直观地理解为什么会发生这种情况，让我们记住，在牛顿力学中，在旋转过程中，会产生所谓的离心力。 该力不是基本物理力之一：它是基本力联合作用的结果，这是确保旋转状态所必需的。 其结果可以被认为是一种向外的有效力——离心力。 当你在一辆快速行驶的汽车急转弯时，你会感觉到它。 如果你曾经坐过旋转木马，你就会知道它旋转得越快，你就必须抓住栏杆越紧，因为如果你松手，你就会被扔出去。 这种时空的类比并不理想，但它正确地表达了要点。 克尔黑洞时空中的角动量提供了有效的离心力来抵消引力。 当视界内的塌缩将时空拉向更小的半径时，离心力就会增加，最终能够首先抵消塌缩，然后逆转它。
在坍缩停止的那一刻，探测器到达了称为黑洞内视界的水平。 此时，潮汐力很小，探测器一旦穿过事件视界，只需有限的时间即可到达它。 然而，时空停止塌缩并不意味着我们的问题已经结束，也不意味着旋转以某种方式消除了史瓦西黑洞内部的奇点。 这还有很长的路要走！ 毕竟，早在 1960 世纪 XNUMX 年代中期，罗杰·彭罗斯和史蒂芬·霍金就证明了一套奇点定理，由此得出结论，如果发生引力塌缩，即使是短暂的，也会因此形成某种形式的奇点。 在史瓦西的例子中，这是一个包罗万象、压倒一切的奇点，征服了地平线内的所有空间。 在克尔的解决方案中，奇点的表现有所不同，而且我必须说，这是非常出乎意料的。 当探测器到达内部视界时，克尔奇点显露了它的存在——但事实证明它位于探测器世界线的因果过去中。 就好像奇点一直都在那里，但直到现在探测器才感受到它的影响力。 你会说这听起来棒极了，而且确实如此。 而且时空图景中存在一些不一致之处，从中也可以清楚地看出，这个答案不能被认为是最终的。
到达内视界的观察者的过去出现奇点的第一个问题是，在那一刻爱因斯坦方程无法唯一地预测该视界之外的时空会发生什么。 也就是说，从某种意义上说，奇点的存在可以导致任何事情。 也许量子引力理论可以向我们解释实际发生的事情，但爱因斯坦的方程让我们没有机会知道。 出于兴趣，我们在下面描述如果我们要求时空视界的交点在数学上尽可能平滑（如果度量函数如数学家所说，“解析”），但没有明确的物理基础，会发生什么对于这样的假设No. 从本质上讲，内视界的第二个问题表明了完全相反的情况：在真实的宇宙中，物质和能量存在于黑洞之外，内视界的时空变得非常粗糙，并且在那里形成了一个环状的奇点。 它不像史瓦西解中奇点的无限潮汐力那样具有破坏性，但无论如何，它的存在使人们对平滑解析函数思想所产生的后果产生了怀疑。 也许这是一件好事——分析展开式的假设带来了非常奇怪的事情。
本质上，时间机器在闭合类时曲线区域中运行。 远离奇点，不存在闭合的类时曲线，除了奇点区域的排斥力之外，时空看起来完全正常。 然而，有一些轨迹（它们不是测地线，所以你需要一个火箭发动机）可以带你到闭合类时曲线的区域。 一旦你到达那里，你就可以沿着t坐标（即远处观察者的时间）向任何方向移动，但在你自己的时间里你仍然会一直向前移动。 这意味着你可以去任何你想去的时间，然后回到时空的遥远部分——甚至在你去之前到达那里。 当然，现在与时间旅行的想法相关的所有悖论都已成为现实：例如，如果通过时间漫步，你说服了过去的自己放弃了它怎么办？ 但这种时空是否存在，以及如何解决与之相关的悖论，这些问题超出了本书的范围。 然而，正如内视界上的“蓝色奇点”问题一样，广义相对论表明，具有闭合类时曲线的时空区域是不稳定的：一旦你试图结合某种质量或能量，这些区域可以变得奇异。 此外，在我们的宇宙中形成的旋转黑洞中，“蓝色奇点”本身可以阻止负质量区域的形成（以及白洞通向克尔的所有其他宇宙）。 尽管如此，广义相对论允许如此奇怪的解决方案这一事实还是很有趣的。 当然，很容易宣布它们是一种病态，但我们不要忘记爱因斯坦本人和他的许多同时代人对黑洞也说过同样的话。
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来源： habr.com