黑洞是个“洞”还是个“球”
出发前看了很多资料
确切地说，这是我第二次飞上太空。因为我的航天资历还很浅，在专家的建议下，我选择了危险系数最低的克尔—纽曼黑洞。实际上，我更向往克尔黑洞。因为有研究表明，克尔黑洞可能与另一个宇宙相通，进入克尔黑洞的飞船，有可能从另一个宇宙的白洞冒出来。但那样的话，我就不能坐在这里给你讲故事了———这是以虚拟的方式讲述与黑洞零距离接触的科普知识。
出发之前，我找了大量关于克尔—纽曼黑洞的资料。它的构造与克尔黑洞非常相似，为了解释得更清楚，我需要画一个简图。
有图形的帮助，你理解起来就比较容易了。静界也叫无限红移面，是一个旋转的椭圆面。无限红移面又是什么东西呢？首先我找到了红移的定义。如果把我和一个光源之间的距离拉大，在我看来，光源是越来越暗，也就越来越红。
而在物理学上，这种现象表现为光源发出的光出现了变化，波长变长了，频率变低了，并且向光谱的红端移动。“红移”的名字，也就由此而来。
在天文观测中，天体的质量越大，离地球的距离越远，红移就越明显。如果在黑洞的静界表面放置一个光源，从地球上看，此光源射出的光会发生无限大的红移，它的频率会还原到零，波长会增大到无穷，因此，外界实际上根本就看不见这样的光。换句话说，光是被黑洞吞掉了。
外视界是一张奇异的球面，在天文物理学上，视界的意思是可见区域的边界。根据我的切身体会，这个抽象的解释是指：在这个视界以内的任何东西（包括光）既不能跑出来，我们也看不见它们，就像皮革把一个足球封得严严实实，除非它破了，否则你永远搞不清楚里面究竟有什么东西。这就是黑洞真正的边界。
如果你是个细心的孩子，这时候就该问我了：“既然图上标的是外视界，那就应该还有个内视界才对，为什么你不画出来呢？”实际上，不仅仅是还有个内视界，内无限红移面、内能层也是存在的。老实地说，这些地方我都没有进去过，因为穿过外无限红移面进入外能层的飞船，仍可以找出机会逃出黑洞的魔爪，像我就是这样的一个幸存者。但如果进入外视界，就是掉进了巨火的漩涡，根本没有生还的可能。外视界就像是老人家常说的“奈何桥”，过了桥就不能再回到阳间了。当然，科学家的说法要严谨得多，这种只准进、不准出的性质叫做单向可通性，所以外视界又有个不吉利的名字———单向膜。
我还看了一些相对论方面的书，尽管广义相对论非常难懂，我还是把最基本的一点记住了：时空弯曲的地方，钟走得慢；弯曲越厉害，钟走得就越慢。
黑洞表面处的时空“弯曲”得非常厉害，因此把钟放在那里，它会变得奇慢无比。如果能从地球上看到钟的时针、分针，将会发现它已经完全停止不走了。
你的错觉和我的激动
但是你可不要认为静界和外视界是可以观察到的，如果那样的话，人们就不会把黑洞叫做“穿着隐身衣的怪兽”了。虽然这次航行的技术指导非常负责，尽可能明确地在星空图上标出了黑洞的位置，但我还是花了很长的时间才找到它。更确切地说，是它的引力找到了我。
我在接近黑洞时，并没有发现时间有什么变化，手表仍然以正常的速度走动着。飞船也几乎没有任何异常。然而如果当时你看见了我的宇宙飞船，你会觉得它越接近黑洞，走得就越慢，几乎分辨不出它在移动，这大概才是广义相对论的精髓所在吧。
后来，你甚至会认为飞船好像已经完全凝固，连我在内都成了塑像。如果你的身边正好有一台光学仪器，你还将看到，从飞船发出的光线，红移现象越来越明显。飞船也在慢慢变红，它越来越红，越来越暗，最后冻结在黑洞的表面上，消失在的黑暗中。你不由得惊呼：“天哪，它消失了！”
但是，此刻却是我最激动的时候。实际情况也和你看到的完全不同。我心爱的“GYG”号始终保持着非常快的速度，而且是越来越快，因为有一种越来越大的力量在牵引我。我知道这是潮汐力在发挥作用。
潮汐力在宇宙中是广泛存在的。地球上的各种物体，当然也包括人类，无时无刻不受到地球万有引力的影响。对于直立行走的人来说，由于头和脚离地心的距离不同，它们受到的地球引力也略有差别，之间相差两三滴水的重量。
万有引力的这个差距，就叫做潮汐力，对于人来说，潮汐力的大小与他身高相关。海洋的涨潮落潮，则是因为向着月亮一面的海水，与背着月亮一面的海水，离月亮的距离不同，导致它们受到的月亮引力产生了差异，这个差别进而引起了海水的上涨。这就是潮汐力名称的由来。
黑洞的质量是非常巨大的，因此它的引力场不仅势力特别强，范围也特别广。在如此巨大的引力场下，各点由于位置不同，很容易产生猛烈的潮汐力。
有时候，宇航员还没有进入黑洞，就已经被撕裂了。
当我在不知不觉中闯进了克尔—纽曼黑洞的外能层区以后，不得不集中精力躲避那些横冲直撞的宇宙物质。这感觉就像我一不小心跑错了车道，开始逆向行驶。数不尽的车辆尖声鸣叫着，劈头盖脸地扑来。当然车道上是有出口的，而且标志很明显，在吓出一身冷汗之后，我就可以开着车安全地离开了。但是外能层区的出口在哪里呢？如果没有足够的把握，我根本不敢偏离原来的轨道太远。因为再进去一点，说不定就会突破外视界这个单向膜。但是无论如何，这是一次激动人心的旅行，比坐在电脑前玩电子游戏有意义多了。
片刻之后，我镇静下来，开始利用精密仪器计算我所受到的潮汐力。如果它减小了，说明我正在脱离黑洞的控制。好，就这样一点点来吧……虽然我很想进入单向膜，但我知道，还有更多有价值的事情等着我去完成。然而，黑洞是如此的吸引我，既然不能亲身体验，那就从科幻小说中寻找那种令人毛骨悚然的快乐吧。
勇敢者的游戏
如果有人大无畏地穿过外视界，他就进入了内、外视界之间的单向膜区。
在这个区域里，他的宇宙飞船将成为毫无用处的废铁。因为广义相对论告诉我们，黑洞内部的时空坐标发生位换，也就是说，原来的时间t成为空间坐标，原来的纵向坐标则表示时间。但是相对论实在是一门非常麻烦的学科，还是用我自己的话向你解释吧。
进入外视界之前，勇敢者对黑洞的探索，是一个时间不断延长，与黑洞中心的距离不断缩短的过程。如果用坐标轴表示的话，代表时间的坐标t上的数字，是增大的趋势，而表示空间的坐标上的数字，却是减小的趋势。当这个坐标轴颠倒过来之后，不断减小的指时间，意味着勇敢者接近黑洞中心的航行，成为一个时间发展的过程。因为时间不可能倒流，他也只能“义无反顾”地向黑洞中心冲去。也是由于这个原因，任何物质都不可能在单向膜区停留，因此这个区域处于可怕的真空状态。
但是，就像你明明看见我的宇宙飞船停滞、消失，而我自己却丝毫没有感觉一样，飞船上勇敢者在穿越单向膜区时，并没有感到有任何变化，即使是周围的世界一下子安静下来，他也没有太多的想法。他只清楚地感觉到越来越大的潮汐力，由此判断飞船将在有限的时间内到达黑洞中心。
越来越大的潮汐力，会使勇敢者的身体变形。倘若他下落时脚在前面，那么双脚就比头更接近引力中心，所受的引力也更强些，这样一来他就被拉长了。
与此同时，他的双肩会受到向里的挤压。看来，黑洞不把这位勇敢者变成拉面，是不会善罢甘休的。
黑洞和白洞原来是连体婴儿
如果黑洞的质量是太阳的1000倍，与银河系中心的那个黑洞差不多大小，这位勇敢者从视界落向奇环的过程，大概是3分钟。如果是1个太阳质量的小黑洞，从视外到奇环的旅程只需要几微秒。
这个奇环又叫做奇点，是黑洞的中心。在这里，引力的增强是没有上限的。
因此，许多物理学家深信，这个奇环是名副其实的时空终结处，与它相遇的任何物质都将会完全湮灭。如果确实如此，组成勇敢者身体的原子，将在奇环里化为乌有。
进入克尔黑洞内部的勇敢者，开始时小心翼翼，唯恐撞在奇环上。但不久他就会明白，自己只要不进入奇环所在的赤道面，就不会撞上去。即使他想和黑洞开个玩笑，故意往上撞，也没有用。奇环好像有一股魔术般的推斥力，不让飞船靠近它。只有奇环所在的赤道面是例外，在赤道面上，奇环对飞船有一股吸引力，勇敢者必须小心，不要被它吸过去。
所以说，克尔黑洞的结构虽然比另一种黑洞———史瓦西黑洞要复杂，但进入这里的飞船却要幸运得多。它虽然再也飞不出克尔黑洞，但还不至于直接撞在奇环上。勇敢者可以驾驶飞船在奇环附近飞来飞去，如果高兴，还可以像雄狮跳火圈一样，穿越奇环玩玩。但这可是要付出惨痛代价的。勇敢者会发现他没有从环的另一端出来，而是进入了另一个世界，那里只有万有斥力，没有万有引力。勇敢者虽然侥幸逃过了黑洞的魔爪，却会在这里被撕得粉碎。
这是因为，位于我们这个宇宙的克尔黑洞，其内部有可能就是某个克尔白洞的内部，而这个白洞属于另一个宇宙。这样的话，克尔黑洞就成了进入另一个宇宙的通道。不小心穿越克尔黑洞奇环的飞船，有可能从另一个宇宙的白洞中冒出来。但也有人认为，这个白洞也可能就处在我们的宇宙中，进入克尔黑洞的飞船，会从我们宇宙的某一个克尔白洞冒出来。
“宇宙监督”禁止赤裸的黑洞出现
假如克尔黑洞越转越快，其单向膜区就会越来越薄，最后内、外视界重合，形成所谓的“极端黑洞”。这时黑洞的单向膜区，已经退化为一层膜。如果转得再快一点，这层膜也会消失，视界完全没有了，奇环裸露在外面。
这可不像我们不穿外套那么简单。科学家认为，在奇环附近有“闭合类时线”，走出这条线的人可以回到自己的过去。佛教宣扬的“因果循环”虽然终于应验了，但想想吧，那将会变成什么样子，爷爷辈的人突然成了儿子辈的人，这会使整个世界乱了套。为了避免这种荒谬的现象出现，著名的英国相对论专家彭若斯，提出了“宇宙监督假设”，即“存在一位宇宙监督，它禁止裸奇点（奇环）的出现”。
“宇宙监督”并不是彭若斯自己杜撰的新名词，这个说法还与西方人的文化背景有关呢。罗马帝国时代，物质生活极端富裕。人们在尽情享受生活之余，想方设法追求新异的东西。有一段时间，裸装开始流行起来。这可太伤风化了，各大城市马上采取措施，设立了监督官。这些人的职责，就是禁止人们不穿衣服在街上走。
彭若斯效法当时的罗马政权，也“任命”一位宇宙监督，不准裸露的奇环出现在宇宙中。奇环必须穿上衣服，这件衣服就是黑洞。监督时刻提醒奇环：
你得老老实实地待在黑洞里面，不准把你的秘密说出去，否则造成天下大乱可不是好玩的。
但是，由谁来担当这一重担呢？就目前的程度和发展阶段来说，人类显然没法胜任。看来得让自然来处理这件事情。但是“宇宙监督假设”的不足之处，就在于没有说明能够阻止裸奇环出现的自然条件。要使宇宙监督不只是一个动听的比喻，在它后面就应该有某个积极的自然因素，保证它的存在是可能的。
因此，彭若斯修改了“宇宙监督假设”，提出“类时奇异性是不稳定的”。
这种说法的意思是，克尔黑洞的奇环和内视界都是不稳定的，稍有扰动就会变化。要想避免人们进入克尔黑洞内部，迈过“闭合类时线”，实现时光倒流的梦想，就要封住内视界，不让任何飞船钻进去。这就有点像大禹的父亲了，他用堵塞的方法治理黄河，结果越治越乱。
怎么样，很吸引人吧？当然，上述所有这些都还只是一种猜想与假设。但是奇环确定是非常神秘的地方。由于人类从来没有到达那里，奇环成为人类认识的盲区，没有任何规律可循，也无法做出任何正确的预测，这才是最可怕的。
能否从黑洞中拿点儿什么
转动的黑洞，如我们提到过的克尔黑洞，有一个非常著名的特性，这就是所谓的“彭若斯过程”。
1969年，英国科学家彭若斯向科学界报告了自己的新发现：在位于黑洞外延的能层中，当物质粒子的转动方向与黑洞相反时，粒子的能量就会改变性质，用物理语言来说，就是具有无穷远的负能。黑洞为了对付这种粒子带来的阻力，会减少一定的能量。
如果有一个粒子从远处落入能层，并在能层中一分为二，一个新粒子的运动方向与黑洞相反，另一个则与黑洞转动方向相同，那么当转动方向相同的粒子离开能层，飞离黑洞，而另一个落入黑洞视界，变成无穷大的负能时，飞离黑洞的粒子将意外获得大大高于自身的能量。
这个发现有什么意义呢？希腊物理学家德梅特里奥斯·克里斯托多罗，回答了这个问题。他想出了一个很巧妙的方法，从黑洞中摄取能量。如果我们在太空中向能层投放物质，当分解后的一部分物质，装载宝贵的能量被发射出来时，我们只需要做好接受工作，就能获得比牺牲的物质多得多的能量。这样既可以处理掉地球上的废料，又不会产生宇宙垃圾，真是一举数得。
这个计划的具体设想是围绕黑洞建造一个巨大的钢性骨架，当然要选在离黑洞足够远的地方，否则再坚固的骨架也会被过大的潮汐力摧毁。然后，在这个骨架上建设一座工业城市，将地球上每天产生的数百万吨垃圾收集起来，装上小车，倾入黑洞。小车一辆接一辆沿螺旋线落向黑洞，每辆车在进入能层后到达“抛射点”时，一个自动装置打开，把垃圾倒进仔细设计好的与黑洞转动方向相反的轨道上。黑洞由于捕获垃圾而稍稍减慢了转动速度。与此同时，空车以增大的能量离开能层，最后被一个巨大的转子回收，释放出大量的转动能。
而这个转子是接在发电机上的，于是就可以为城市提供电力。回收每辆小车赚得的能量是巨大的，等于抛出的垃圾质量能量加上黑洞本身质量能量的一部分。
这真是一个聪明、大胆的方案！太空工业城市不仅把垃圾的全部质量转变成了电能，而且还提取了黑洞的一部分能量。不过每次倒进垃圾和回收质量的操作，会使黑洞的旋转速度放慢，这有可能会使黑洞消失。因此，需要寻找下一个黑洞。这时，城市的创意者就像玩陀螺一样，把这个太空城市转到另一个新黑洞的周围，继续同样的过程。
对这个令人向往的生态城市，有的人可能会嗤之以鼻。然而，“彭若斯过程”不只是一种趣谈。实际上，从转动的黑洞中提取能量的尝试，有可能已经在自己的天体物理条件下，正通过一个适当分布的外部磁场而发生着。
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