儘管這個主題很複雜，普林斯頓大學教授史蒂芬古布瑟還是對當今最具爭議的物理學領域之一提供了簡潔、易於理解且有趣的介紹。黑洞是真實的物體，而不僅僅是一個思想實驗！從理論角度來看，黑洞非常方便，因為它們在數學上比大多數天體物理物體（例如恆星）簡單得多。當事實證明黑洞並不是真的那麼黑時，事情就變得奇怪了。
它們裡面到底是什麼？你怎麼能想像掉進黑洞呢？或者也許我們已經陷入其中只是還不知道？
在克爾幾何中，存在著完全封閉在能層中的測地軌道，具有以下屬性：沿著它們運動的粒子具有負位能，其絕對值超過這些粒子的靜止質量和動能的總和。這意味著這些粒子的總能量為負。彭羅斯過程中所使用的就是這種情況。在能層內，提取能量的飛船會發射一枚彈，使其沿著其中一個帶有負能量的軌道移動。根據能量守恆定律，船舶獲得足夠的動能來補償相當於彈丸能量的損失的靜止質量，此外還獲得相當於彈丸淨負能量的正當量。由於彈體發射後會消失在黑洞中，因此用某種廢物來製造它會很好。一方面，黑洞仍然會吃掉任何東西，但另一方面，它會回到給我們比我們投入的更多的能量。所以，此外，我們購買的能源將是「綠色」的！
從克爾黑洞中提取的最大能量取決於黑洞旋轉的速度。在最極端的情況下（在最大可能的旋轉速度下），時空的旋轉能量約佔黑洞總能量的29%。這可能看起來不多，但請記住，它只是總靜止質量的一小部分！為了進行比較，請記住，由放射性衰變能驅動的核反應器使用的能量不到相當於靜止質量的百分之一的十分之一。
旋轉黑洞視界內的時空幾何形狀與史瓦西時空截然不同。讓我們跟隨我們的探索，看看會發生什麼。乍一看，一切看起來都與史瓦西案相似。和之前一樣，時空開始塌縮，將所有物體都拖向黑洞中心，潮汐力開始增強。但在克爾的情況下，在半徑變為零之前，塌縮速度減慢並開始逆轉。在快速旋轉的黑洞中，這種情況早在潮汐力變得強大到足以威脅探測器的完整性之前就會發生。為了直觀地理解為什麼會發生這種情況，讓我們記住，在牛頓力學中，在旋轉過程中，會產生所謂的離心力。此力不是基本物理力之一：它是基本力聯合作用的結果，這是確保旋轉狀態所必需的。其結果可以被認為是一種向外的有效力－離心力。當你在一輛快速行駛的汽車急轉彎時，你會感覺到它。如果你曾經坐過旋轉木馬，你就會知道它旋轉得越快，你就必須抓住欄桿越緊，因為如果你鬆手，你就會被扔出去。這種時空的類比並不理想，但它正確地表達了重點。克爾黑洞時空中的角動量提供了有效的離心力來抵消重力。當視界內的塌縮將時空拉向較小的半徑時，離心力就會增加，最終能夠先抵消塌縮，然後逆轉它。
在坍縮停止的那一刻，探測器到達了稱為黑洞內視界的水平。此時，潮汐力很小，探測器一旦穿過事件視界，只需有限的時間即可到達它。然而，時空停止塌縮並不意味著我們的問題已經結束，也不意味著旋轉以某種方式消除了史瓦西黑洞內部的奇點。這還有很長的路要走！畢竟，早在1960 世紀XNUMX 年代中期，羅傑·彭羅斯(Roger Penrose) 和史蒂芬·霍金(Stephen Hawking) 就證明了一套奇點定理，由此得出的結論是，如果發生引力塌縮，即使是短暫的，也會因此形成某種形式的奇點。在史瓦西的例子中，這是一個包羅萬象、壓倒一切的奇點，征服了地平線內的所有空間。在克爾的解決方案中，奇點的表現有所不同，而且我必須說，這是非常出乎意料的。當探測器到達內部視界時，克爾奇點顯露了它的存在，但事實證明它位於探測器世界線的因果過去中。就好像奇點一直都在那裡，但直到現在探測器才感受到它的影響力。你會說這聽起來棒極了，而且確實如此。而且時空圖景中存在一些不一致之處，從中也可以清楚地看出，這個答案不能被認為是最終的。
到達內視界的觀察者的過去出現奇點的第一個問題是，在那一刻愛因斯坦方程式無法唯一地預測該視界之外的時空會發生什麼。也就是說，從某種意義上來說，奇點的存在可以導致任何事情。也許量子重力理論可以向我們解釋實際發生的事情，但愛因斯坦的方程式讓我們沒有機會知道。出於興趣，我們在下面描述如果我們要求時空視界的交點在數學上盡可能平滑（如果度量函數如數學家所說，“解析”），但沒有明確的物理基礎，會發生什麼對於這樣的假設No.從本質上講，內視界的第二個問題表明了完全相反的情況：在真實的宇宙中，物質和能量存在於黑洞之外，內視界的時空變得非常粗糙，並且在那裡形成了一個環狀的奇點。它不像史瓦西解中奇點的無限潮汐力那樣具有破壞性，但無論如何，它的存在使人們對平滑解析函數思想所產生的後果產生了懷疑。也許這是一件好事——分析展開式的假設帶來了非常奇怪的事情。
本質上，時間機器在閉合類時曲線區域中運作。遠離奇點，不存在閉合的類時曲線，除了奇點區域的排斥力之外，時空看起來完全正常。然而，有一些軌跡（它們不是測地線，所以你需要一個火箭引擎）可以帶你到閉合類時曲線的區域。一旦你到達那裡，你就可以沿著 t 座標（即遠處觀察者的時間）向任何方向移動，但在你自己的時間裡你仍然會一直向前移動。這意味著你可以去任何你想去的時間，然後回到時空的遙遠部分——甚至在你去之前到達那裡。當然，現在與時間旅行的想法相關的所有悖論都已成為現實：例如，如果透過時間漫步，你說服了過去的自己放棄了它怎麼辦？但這種時空是否存在，以及如何解決與之相關的悖論，這些問題超出了本書的範圍。然而，正如內視界上的「藍色奇點」問題一樣，廣義相對論表明，具有閉合類時曲線的時空區域是不穩定的：一旦你試圖結合某種質量或能量，這些區域可以變得奇異。此外，在我們的宇宙中形成的旋轉黑洞中，「藍色奇點」本身可以阻止負質量區域的形成（以及白洞通往克爾的所有其他宇宙）。儘管如此，廣義相對論允許如此奇怪的解決方案這一事實還是很有趣的。當然，很容易宣布它們是一種病態，但我們不要忘記愛因斯坦本人和他的許多同時代人對黑洞也說過同樣的話。
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來源： www.habr.com