撰文 | 董唯元
黑洞是科普內容里的?？?，諸如“時空奇點”、“事件視界”、“史瓦西半徑”，這些名詞早已成為愛好者們耳熟能詳的概念 。可如果說起黑洞內部的多層結構，恐怕許多人會感到莫名其妙 。黑洞里面連物質都沒有 ， 只有嚴重扭曲的時空而已，怎么會跟雞蛋一樣有分層結構呢？實際上，黑洞不僅有內部結構而且還很復雜，但我們可以從“0”開始 。
0糖0卡0公式
其實，在科普書中經常出現的黑洞 ， 只是黑洞家族里最簡單的一種，被稱為史瓦西黑洞 。這種黑洞既不帶電也不自轉，只有一個物理屬性——質量 。在如此高度簡化又各向對稱的前提下，當然沒機會出現太復雜的結構 。但真實的宇宙中，天體大多具有自轉角動量，而且也多多少少帶有一些電荷，黑洞也不應例外 。當描述黑洞的理論模型中加入了自轉角動量和電荷之后，一些有趣的結構便出現了 。
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廣義相對論下的黑洞分類
【黑洞內部的時空結構】
我們都知道，史瓦西黑洞的結構就是一個叫作事件視界的球面，包裹著球心處的時空奇點 ， 從視界到奇點這部分區域是不可逆轉的單向區，掉進這個區域的任何東西都不可避免地走向奇點 。有個噱頭感十足的說法：在這個單向區內，時間變成了空間，空間變成了時間 。至于這句話具體該如何理解，我們稍后再談 。
現在我們讓黑洞攜帶上電荷，即RN黑洞，它有內外兩層視界 ， 單向區只存在于兩層視界之間，黑洞所帶的電荷越多，這個球殼狀的單向區就越薄 。而在內視界以內的區域則又回到普通時空的樣子，不存在時間維與空間維互換的情形，黑洞中心的奇點就躺在這片普通時空區域中 。
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如果黑洞有自轉，即克爾黑洞，其視界不再是勻稱的球面，而是類似南瓜的表面，而且這種南瓜皮樣的視界也有內外兩層，中間夾著單向區 。此外克爾黑洞比RN黑洞還多出兩個界面——外靜止面和內靜止面——分別位于外視界之外和內視界之內 。從靜止面到視界的區域被稱為能層 ， 這個名稱的由來是彭羅斯發現從這個區域可以獲取能量 。克爾黑洞最有意思的部分是中心不再存在奇點，取而代之的是一個奇環 。
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克爾黑洞所展現的結構，基本已經達到了復雜程度的極限，再帶上電荷的克爾-紐曼黑洞 ， 并沒有比克爾黑洞的結構復雜更多 ， 仍然是內外兩個能層夾著單向區的樣子，中間也依然是代表時空奇異性的奇環 。電荷的多少只是為這些結構的具體位置又多增加了一個參數而已 。
史瓦西度規
至此，我們已經大略瀏覽了四種黑洞的結構樣貌，可是我相信大多數讀者肯定不會滿足于如此泛泛的走馬觀花 。為了說得更清楚些，我們先用半分鐘時間認識兩個相對論中的物理概念——“線元”和“度規” 。
“線元”可以粗略地理解為時空中臨近兩點的微小間隔，記做ds 。在平直時空中 ，
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或者采用極坐標的形式
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寫成矢量內積的樣子就是
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那個夾在中間的4×4矩陣，就是“度規”，它顯示著時空的幾何性質 。平直時空的度規是簡單的diag(-1, 1, 1, 1) 對角矩陣，而彎曲時空的度規，就會變得復雜起來 。
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所謂求解廣義相對論方程，其實就是計算出度規的所有分量 。對時空幾何性質的所有刻畫，都藏在這個矩陣里 。
知道了這些，我們就可以根據一個線元的表達式，來閱讀出時空度規，繼而揣度時空的樣子 。比如，把不自轉，不帶電，質量為M的物體放在極坐標原點，它周圍的真空線元表達式是
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其中
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我們能馬上看出來，這個史瓦西度規仍然是對角矩陣，但是對比平直時空的樣子，標成藍色的g和g兩個分量顯然有所不同，這兩項就是所有后相對論時代對黑洞研究的起點，r就是史瓦西半徑，r=r處就是史瓦西黑洞的視界 。
當s→∞的時候，史瓦西度規回到了平直時空的樣子，說明在無窮遠處時空彎曲的效應逐漸消失 。那么在黑洞附近的時空又是如何彎曲的呢？讓我們派出一位冒險者到臨近視界的地方進行考察 。三維空間中，冒險者所處的位置是一個點，而四維時空中，由于時間的不斷流逝，即使冒險者靜止不動這個位置仍是一條線，被稱為“世界線” 。
黑洞附近的時間膨脹
相對論告訴我們，世界線是個絕對的物理對象，無論從哪個參照系中計算，這條線上的同一段ds的長度都必然相同 。我們選取兩個特殊的參照系 ， 一個是相對黑洞靜止的參照系，另一個是冒險者自己的隨動參照系 。
前一個參照系中，我們照舊使用已經提到過的公式來計算冒險者世界線的線元 。
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其中，代表沿球面切向位置變化，連同徑向位置變化dr一起，給出冒險者的空間坐標位置變化 。需要注意的是式子中的dt，它代表站在無窮遠處且相對黑洞靜止的觀者所感受到的時間變化 。
在后一個參照系中，冒險者自己相對于隨動參照系沒有任何位置變化，只是單純地經歷著時間的流逝，所以線元就簡化成了
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其中dτ就是冒險者自己所感受到的時間變化 。
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兩個參照系中冒險者的世界線是同一根，所以
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現在，我們命令冒險者懸停，于是dr和dΩ都是0 ， 式子就簡化成了
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如果懸停的位置滿足r=1.01r ， 就會有dt≈10dτ，冒險者的時鐘變得好慢！無窮遠處的觀者不得不等上十年，才能看到冒險者長了一歲 ， 這就是引力場所產生的時間膨脹效應 。如果冒險者此時向遠處發射一道光 ， 那么等光到達遠處的觀者時頻率已經下降為出發時的十分之一，也就是產生了嚴重的紅移 。
當冒險者的位置無限接近r時，時間膨脹也無限接近無窮大 。盡管冒險者自己仍然體驗著正常的時間流逝，但在遠處的觀者看來，冒險者的時間已近乎停止 ， 其發出的光，頻率也無限接近零 。也就是說，源自視界處的光，無法將能量傳遞到遠方 。忽然想到有那么多電視節目甚至電臺都樂意取“視界”做名字，不免讓人感覺……
空間維變成時間維
說回物理 ， 我們來看看冒險者穿過視界進入黑洞內部之后的情景 。也許有人會提出質疑：冒險者在視界處已經達到了時間膨脹的極限，遠處的觀者即使等到地老天荒宇宙毀滅也無法等來冒險者穿過視界的時刻呀？
小啦，格局小啦 。
雖然遠處的觀者在自己所體驗的時間里等不到，但不代表冒險者無法到達 。事實上，按照冒險者自己所體驗的時間，他完全可以在有限時間內到達并順利穿過視界 。當然他最好有非常堅硬的鎧甲和非常微小的身軀，以免被潮汐力扯碎 。
當r＜r時，冒險者就進入了單向區 ， 我們來看看這里的時間與空間是如何互換的 。
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此時
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仍然成立 。
為了使冒險者感受到的時間dτ是實數 ， 等號左邊也必須是負數，而r＜r時
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只能依靠
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這項的貢獻 。
也就是說，進入視界之后的冒險者 ， 根本無法再懸停在任何地方，他必須不斷靠近黑洞中心，才能感受到時間的流逝 ?；蛘吒纱嗾f，在遠處觀者參照系中的空間維度r，與冒險者參照系中的時間維度τ，建立起了奇妙的對應關系 。對冒險者來說，r不再是個能來回移動的空間維度，而是變成了時間一樣的單向維度 。
RN度規和克爾度規
通過前面對史瓦西度規的了解，我們發現原來黑洞的視界就出現在度規的某個分量為零或者發散的地方 。依照這個經驗，識別其他類型黑洞的視界，自然也可以手到擒來 。僅帶電，不自轉的RN度規是這樣的：
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其中
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確定視界的位置非常簡單，只需要解個小方程
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就得到
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這就是RN黑洞的內外兩個視界 。
當r＜r＜r時，也就是兩層視界之間的部分，g＞0，g＜0，就出現了空間維r變成單向維度的情形 。而在r＜r的區域 ， g＜0，g＞0 ， 時間維和空間維重新回到普通的樣子 。
能夠堅持讀到這里的讀者，估計此時會產生一種幻覺——什么神秘兮兮的時空彎曲，原來也就不過如此嘛！好吧，那讓我們再來看看不帶電 ， 僅帶有自轉角動量J的克爾度規 。
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其中
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顯然，這個度規所刻畫的時空結構遠比史瓦西度規和RN度規復雜得多，所以也經歷了更長的時間才被計算出來 。史瓦西度規早在1915年就被發現，RN度規也在1916~1918年間被發現 ， 而克爾度規的精確解卻要等到1963年 。
克爾度規不僅復雜而且重要，因為宇宙中的天體都或多或少具有自轉角動量，只有克爾度規才能更準確地反映這些天體的運動和演化 。相較而言，史瓦西度規和RN度規就顯得過于簡化，甚至遺漏掉了許多真實宇宙中的有趣內容 。
轉動的黑洞可以發電
在史瓦西度規和RN度規中，g=0的位置恰好也是g→∞的位置，于是這個位置就順理成章地被定義為黑洞的視界 ?？墒窃诳藸柖纫幹?，滿足這兩個條件的位置不再重合 。
解g=0這個方程得到
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解這個方程得到
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這兩組解對應四個界面，應該把哪些定義成視界呢？
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回憶前面對冒險者旅程的描述，我們可以總結出兩條結論：
- 當冒險者懸停在空間某一位置時，他的時間流逝速度在遠處觀者看來正比于 ， 當g=0時，遠處觀者所看到的冒險者就徹底靜止了 。
- 在g＜0的地方，空間維r變成了像時間維t一樣的單向維度 ， 冒險者無法懸停在空間一點，必須沿r方向持續單向運動 。
這兩條對所有時空都是普適的，也可以用來考察克爾度規 。
如果讓冒險者前往一個克爾黑洞，當他到達r位置的時候，在遠處的我們看來，他就已經靜止了，但其實他自己還能繼續向前，而且即使進入了r＜r的區域 ， 理論上仍然存在逃離的可能性 。只有他進入r＜r的區域后，才真正被黑洞捕獲，被不可逆轉的拖向r位置 。
所以r才是黑洞的事件視界，而r的位置被命名為靜止面，也叫無限紅移面，在這個位置以降的地方所發出的光，都無法將能量攜帶到遠方 。細心的讀者也許會問，連光都無法逃離的地方，冒險者又如何能逃離呢？這就跟r至r之間這片區域的特殊幾何特性有關了 。
在這個區域，g＞0且g＞0 ， 似乎時間維和r維度都變成了“空間維度”，為了讓冒險者擁有實數的時間τ ， 必須在線元表達式里找到一個負數的貢獻 。
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就成了唯一可指望的貢獻來源 ?？梢?，在r至r間的區域內 ， 是一個無法停止永遠單向變化的維度 。這就是自轉的黑洞對周圍的空間所產生的極端拖拽效應 。
這片時刻轉動著的時空被稱為能層，因為其中蘊含著一種特殊的能量，進入這個區域的的冒險者可以逆著轉動方向拋出一個有質量的物體，自己就可以獲得許多能量，繼而利用這些能量來逃離出靜止面 。這個丟車保帥獲取能量的做法叫作“彭羅斯過程”（Penrose process），是彭羅斯在1969年發現的 。
我們知道質量就是能量的一種形式，而彭羅斯過程本質上就是利用克爾黑洞的能層將質量兌換成能量的方法 。而且這種能量兌換方式的效率非常高 ， 我們投喂給黑洞的質量中，理論上最多可以有29%轉化為我們獲取的能量 。別看這個效率大概跟用煤燒開水的效率差不多，但別忘了我們的分母不是煤炭中的化學能，而是整坨物質的質量 。
事件視界的形狀
帶有自轉角動量J和電荷Q的克爾-紐曼度規是克爾度規的一個小小擴展 。
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可以看出這個度規與克爾度規所描述的時空結構基本沒有太多差別，我們同樣可以通過g=0和這兩個方程找到靜止面和事件視界的位置 。
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和
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這里需要做些補充說明 。無論克爾黑洞還是克爾-紐曼黑洞，其事件視界的計算結果都是r為坐標參數無關的確定值，似乎應該是個球面 ?？蔀槭裁辞懊娼o出的圖像中，把視界畫成南瓜形呢？
其實這也是時空被扭曲后的一種結果 。如果令r=r，dt=dr=0 ， 也就是固定住時間，并把位置固定在r處，克爾度規的線元表達式就變成了
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這個表達式顯然不具備球對稱性 。
不過 ， 我們也不能粗暴地說這就是冒險者眼中“看”到的黑洞，因為牽扯到光線傳播路線問題 ， 會使問題更復雜 。我們只能讓冒險者閉上眼睛 ， 躲過光線的欺騙，用手去觸達實際空間位置 。由于黑洞處的時空嚴重扭曲 ， 冒險者會發現，最初遠處觀者交給他的一個球形3維指示圖，在黑洞里會變成扁南瓜的樣子 。
問題總比答案多
黑洞有關的研究課題實在太多太多了，除了頗受關注的黑洞熱力學和信息悖論之外，僅時空幾何本身的許多性質，至今都是活躍的研究前沿 。比如奇點對時空因果結構的破壞 ， 就使許多研究者非常不安：既然無法從理論上消滅它 ， 就非常希望它永遠藏在事件視界之內 ， 不要暴露在我們可觸及的時空之中 。
然而前面在計算r的時候可以看出 ， 如果r或者a足夠大，也就是電荷或角動量足夠大，那么從數學上確實有可能出現r無解的情況，對應著不存在事件視界的時空結構 。倘若如此 ， 奇點就會裸露在我們面前，這是物理學家們內心非?？咕艿膱鼍?。為此彭羅斯提出了“宇宙監督假說”（Cosmic censorship hypothesis），認為宇宙一定有某種機制來防止裸奇點的出現 。至于這種機制到底是什么，至今也沒有特別有力的理論機制 。
另外 ， 自從知道黑洞是個超高能量轉換器之后，其自身結構的穩定性 ， 也成了物理學家們擔憂的問題 。就像生產火藥的車間更容易發生爆炸一樣，一個進入黑洞的粒子也許會因為偶發的衰變而獲得巨大的能量 ， 這些能量也許會使粒子自己原地變身成一個小黑洞 。如果真有這種過程出現，這個小黑洞也許就會對大黑洞的時空結構造成不可逆轉的破壞，甚至導致大黑洞整體結構的徹底崩潰 。
對克爾黑洞自身結構穩定性的研究是個非常艱深的課題，自1963年至今近60年時間里進展一直比較緩慢 。2022年5月，哥倫比亞大學和普林斯頓大學的幾位研究者在一篇長達912頁的論文中 ， 終于從數學上給出了a<<r條件下克爾黑洞的穩定性證明 。這篇論文的證明過程還用到了幾位研究者在過去幾年中陸續得到的二十幾條引理，如果把先前鋪墊引理的論文算在一起，總共有2100頁之多！足見這一問題在數學上的復雜程度 。
盡管與黑洞相關的課題都是如此難啃的硬骨頭 ， 但同時這些問題也都關乎我們這個宇宙最基本的規律和法則 。對這些問題的深入研究，即使無法立刻得到明確答案，也會成為“下金蛋的母雞”，我們會創造更豐富的工具并不斷刷新我們的認知 。
文獻
[1]arXiv:2205.14808 [math.AP]
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