我们在第1章中介绍了质量奇点的概念，它由引力坍缩形成，并被一个叫事件视界的界面所包围。这种类星体中不自转的被称为史瓦西黑洞，这个名词专门表示不转的黑洞：用术语来说就是它们没有自旋。简单地说，除了位置以外，能够将两个史瓦西黑洞区分开的唯一特征就是其质量有多大。我们将会在第7章了解黑洞是如何生长的，但目前只要知道引力作用下的坍缩是关键因素就够了。如果坍缩前的物质在旋转，那么无论它转得多慢，在发生坍缩时转速都将增加(除非发生某些意外阻止旋转的发生)。这是由一种被称为角动量守恒的重要物理定律导致的。这个定律可以通过一个正在做单脚旋转的滑冰者来说明：当收回手臂时她就会转得更快。同样，如果产生黑洞的恒星在缓慢旋转，那么它最终形成的黑洞旋转将会非常显著，这种黑洞被称为克尔黑洞。实际上大多数恒星都是在旋转的，因为它们原本是由缓慢旋转的大质量气体云引力坍缩形成的。如果最初的气体云有哪怕很小的净旋转，坍缩成的云都将具有非零的角动量，而随着其体积越来越小，坍缩成的物体的最终旋转也越来越快。因此我们可以看到，对于新生的黑洞，常有被称为自旋的转动，这即便不是普适的性质也是广泛存在的。我们现在相信，在天体物理中的真实的自旋是不可避免的，就像在当今政治中的倾向性描述一样(尽管在后一种情况下，它并非来自角动量守恒[1])。

我们现在已经阐明了黑洞的第二个物理参数，即自旋或角动量。自旋和质量一样，可以用来区分不同的黑洞。因此，当我们研究黑洞的行为时，这两个性质是很重要的：质量和旋转。理论上，黑洞还可能存在与它们的行为有关的第三个特性：电荷。这也是物理学中的守恒量，而电荷之间被称为静电力的力与引力有许多相似之处。两者关键的相似之处在于，在大尺度上它们都是平方反比定律的例证。就是说有两个大型物体，当它们彼此的距离增加到原来的两倍时，它们受到的引力将减小到原始值的四分之一。引力和静电力的关键区别是，虽然引力总是吸力，但静电荷只在有些时候是吸力(当两个物体电荷相反时，即一个带正电而另一个带负电)，而在其他时候则是斥力(当两个物体电荷相同时，无论是都带正电还是都带负电都会互相排斥)。如果两个带电物体带有同种电荷，那么虽然引力倾向于吸引，但静电斥力将倾向于阻止它们聚集。因此，虽然电荷原理上可能是黑洞的第三个属性，人们希望能以之测量黑洞，但实际上黑洞携带的电荷会迅速被周围的物质所中和。因此，一个很好的假设是黑洞只有两个可以明确区分的特性：质量和自旋。就这样!

现在，你可能想知道是否可以通过不同黑洞的成分来区分它们。比如一个黑洞可能是由氢气云形成的，另一个则是由氦气云形成的。为什么坍缩产生黑洞的物质并没有在随后形成的黑洞的可测量性质中体现呢？那是因为信息无法逃出事件视界!光是信息传递的手段，但我们已经在第1章中看到它无法从黑洞的事件视界里面逃脱出来。因此从外界看来，落入黑洞的物质的化学成分对黑洞的性质没有影响。将引力看成需要“逃离”黑洞的东西是不正确的。黑洞外部的引力场是随着黑洞形成过程中的时空弯曲而产生的。事件视界形成后，黑洞内部的情况不会影响到外界。

黑洞无毛

当要求我们描述一个人时，经常涉及的一个显著特征就是他们的发色(例如金红色、银灰色、巧克力棕色)。有时人们的头发会含有关于他们年龄或国籍的线索。其他有关身体特征的信息如“体重指数”，可能会提供有关其饮食健康的信息。与人类相反，黑洞这个实体除了质量和自旋以外，绝对没有明显特征(基于前文所述的原因，这里忽略了电荷)。为了强调黑洞没有保留任何关于其前身天体性质的这一特征，约翰·惠勒创造了短语“黑洞无毛”。这里指黑洞不含有原来的形状、原来的团块结构、原来的地形、原来的磁性、原来的化学成分，什么都不包含。白俄罗斯物理学家雅可夫·泽尔多维奇带领团队进行了计算，结果表明，如果一个表面起伏不平的非球形恒星坍缩成一个黑洞，其事件视界最终会稳定成没有任何团块或起伏的平滑均衡的形状。所以，一个黑洞从来不会有不愉快的一天[2]!你唯一可以知道的关于黑洞的事情就是它的质量和自旋。

自旋改变现实

引力场会将物体拉到旋转黑洞的旋转轴周围，而不仅仅是朝向它的中心，也许这就是旋转黑洞最引人注目的特征。这种效果被称为参考系拖曳。在黑洞的引力场中自由落下时，径向落往克尔黑洞的粒子将获得非径向的运动分量(转动)。

对于具有自旋的测试粒子(例如一个小陀螺)来说，这意味着如果它向着旋转的大质量物体(例如克尔黑洞)自由下落，它的自转轴将会发生变化。就好像中央大质量物体的旋转拖拽了自旋测试粒子的局部参考系一样。这种现象在1918年被发现，并被称为伦泽-蒂林效应，实际上它不仅发生在黑洞的周围，在任何旋转物体的周围，都会有一定程度的影响。如果你把一个非常精确的陀螺仪放在环绕地球的轨道上，那么参考系拖曳会导致陀螺仪的进动[3]。

爱因斯坦场方程对黑洞进行了数学描述，如第1章所述，在稳态(无转动)黑洞的情形下，卡尔·史瓦西解出了这些方程。鉴于史瓦西解出方程是在1915年，也就是爱因斯坦引入广义相对论的同一年，可以说这是一项了不起的成就。在很久之后的1965年，新西兰人罗伊·克尔(Roy Kerr)才解决了旋转黑洞的情形。几年之后，澳大利亚人布兰登·卡特(Brandon Carter)进一步探索了克尔的解。卡特深入研究了克尔度规[4]的效应，他证实了由于参考系拖曳，旋转黑洞会在周围的时空中产生巨大的旋涡。旋风属于一种旋涡，靠近旋风中心的空气旋转很快，会带动沿途的任何东西，无论是干草地里的干草还是沙漠中的沙子。在离旋风远一点的地方，空气(以及干草或沙子)会旋转得更慢。旋转黑洞周围的时空也是如此：远离事件视界的地方，时空旋转的速度很慢，但在视界处，时空的旋转速度与视界自旋的速度相同。

旋转(克尔)黑洞的事件视界与非旋转(史瓦西)黑洞的事件视界非常相似，只是黑洞旋转越快，引力势阱就越深：相同质量的克尔黑洞和史瓦西黑洞，前者形成的引力势阱比后者形成的更深，因此克尔黑洞会是比非旋转黑洞更强大的能量源。我们会在第7章中重新介绍这一点。同时为了帮助理解这种现象总结出的一个结论是：史瓦西黑洞的事件视界仅取决于质量，但克尔黑洞的事件视界取决于质量和自旋。

有一个特别的问题：即使只在理论层面上，是否存在未被包裹在事件视界中的时空奇点，也就是所谓的“裸奇点”。根据定义，爱因斯坦场方程的所有黑洞解都有事件视界，而正如第1章所示，光无法逃离这种视界，因此信息也不行。我们认为所有的黑洞奇点都封闭在事件视界之中，也就是说不是“裸”的，所以宇宙的其余部分无法获得有关奇点的直接信息——这就是英国数学家罗杰·彭罗斯所表述的所谓的宇宙监督猜想。他提出所有通过正常的初始条件形成的时空奇点都被事件视界所隐藏，并且在空间中没有裸奇点。

太大的自旋有多大

黑洞所能拥有的角动量大小是有限制的。这个极限取决于黑洞的质量，因此质量大的黑洞比质量小的黑洞旋转得更快。接近它最大极限的旋转黑洞被称为极端克尔黑洞。如果你试图加速一个黑洞的旋转来制造一个极端克尔黑洞，方法是朝它射入高速旋转的物质(也就是搅拌一下)，最后旋转黑洞产生的离心力甚至会阻止物质进入事件视界。

离旋转黑洞的事件视界稍微远一点的地方是另一个重要的数学界面，被称为稳态极限面。如果某个大质量物体的自旋不为零，那么在其稳态极限面内就不存在静止的观察者，这叫作对惯性参考系的拖曳：稳态极限面以内的每个可实现的参考系都必须旋转。在这个界面内，空间旋转得非常快，以至于光本身也必须与黑洞一起旋转，而不能保持静止。稳态极限面和事件视界之间的这个区域被称为能层，但很令人困惑的是能层并不是球形的[5]，如图10所示。在赤道方向上，能层要比事件视界大得多，但在两极方向上能层与事件视界的半径相同。这导致了能层的形状是扁球形的，类似没有梗的加拉戴尔南瓜。能层的前两个音节来自希腊语中的名词érgon，它与“工作”或“能量”有关[比如“人体工程学(ergonomics)”一词]，旧的能量单位尔格(erg)也来源于此。值得注意的是，希腊语中还有一个表示围绕和远离的动词ergo，也很符合能层的性质。也许这就是在给这个旋转黑洞周围的区域起名并推广开来时，罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和季米特里奥斯·赫里斯托祖卢(Demetrios Christodoulou)脑海中的依据。能层的重要之处在于在这个区域里能够从黑洞中提取能量。

图10　史瓦西(静止)黑洞和克尔(旋转)黑洞周围不同的界面[在常用的“博耶-林德奎斯特(Boyer-Lindquist)”坐标中表示]

由于在能层内的空间在旋转，这部分空间内的物质粒子也被迫转动。因此，在这个空间旋转中存储了可观的转动能，这是一件非常重要的事情，而我们将在第8章中重新讨论它。

白洞和虫洞

广义相对论的爱因斯坦场方程非常丰富多彩，可选择不同的解来描述各种弯曲时空的版本。这是几乎取之不尽的平行宇宙的来源，可以提供给宇宙学家描述和思考。我们实际居住的宇宙是哪种类型只能通过观察决定(如果可行的话)。但这并不能阻止理论物理学家利用爱因斯坦场方程找到各种有趣的解。

数学物理学家梦寐以求的有趣物体之一就是所谓的白洞。白洞表现得就像一个黑洞，但时间是倒流的(可以想象一部倒放的电影)。物质并非被吸入，而是被喷出。事件视界不再是你永远无法逃脱的区域，恰恰相反，它标志着任何东西都无法进入的区域。一旦物质从白洞中出来，它就永远不能再返回那里了——它的整个未来都在外面。正如我们在第6章中看到的那样，黑洞是由坍缩的恒星形成的，并且依据量子力学理论最终会形成霍金辐射(见第5章)。另一方面，白洞只能源自于因某种原因自发聚集成的黑洞的辐射。我们很难理解这在现实中是如何发生的，而且道格拉斯·厄德利(Douglas Eardley)已经证明了白洞本质上是不稳定的。

当爱因斯坦和他的学生内森·罗森(Nathan Rosen)在20世纪30年代研究爱因斯坦场方程时，他们发现了一个有趣的解。如果一个时空区域弯曲得足够厉害，也就是说它折叠得足够厉害，时空中两个之前被分开很远的部分就可以如图11所示，通过一座小桥或者说虫洞连接起来。对于那些希望让人类在宇宙舞台上大展拳脚的作家来说，恒星和星系之间的遥远距离一直是件烦心事，而虫洞(也称为爱因斯坦-罗森桥)则为作家提供了一个完美的推动情节的工具，让他们可以把英雄和反派传送到不同的地方。这个数学上的发明对于科幻小说作家来说绝对是一个福音，因为它为穿越太空中遥远的距离提供了一种便捷的手段，从理论上支持了各种高度虚构的和难以置信的飞行器。但回过头来，我们还没有观测到任何表明我们的宇宙中存在虫洞的证据。此外，有相当多的理论证据表明，虫洞形成后不会长时间保持稳定。为了让虫洞持续开放，我们可能需要大量的具有负能量的物质，而所有常规物质都具有正能量(这与引力通常总是吸引这一事实有关)。穿过虫洞的常规物质就足以使虫洞不稳定，然后破坏它，使其变成一个黑洞奇点。

图11　一个连接两个独立的时空区域的虫

如果虫洞确实存在，并且可以维持一段合理的时间长度，那么它们将具有一些令人惊讶且匪夷所思的特性。虫洞不仅可以提供一种在广阔的空间中任意穿梭的捷径，而且可以让旅行者及时返回。于是人们就可以构造在时空中循环的闭合的类时曲线，曲线上的光锥会形成一个环(参见图12)。这就像在电影《土拨鼠之日》中那样，沿着闭合类时曲线行进的人将会简单地一遍又一遍地重复同样的经历。

图12　一个封闭的类时循环，你的未来将成为你的过

事实上除了虫洞之外，还有许多爱因斯坦场方程的解具有这种令人担忧且违反直觉的性质。1949年，数学家库尔特·哥德尔(Kurt G?del)发现了一种描述旋转宇宙的解，其中包含的闭合类时曲线与《土拨鼠之日》的循环完全相同，这些曲线在无尽循环中反复穿过同一个事件(显然“自由意志”不是场方程的一部分)。克尔解中有描述事件视界之外的时空的部分，我们认为这在现实世界中是具有真正物理意义的。与此同时，克尔解在数学上关于事件视界内的部分是合理的，但目前还不清楚其是否具有任何物理上的相关性。在克尔解的这一部分中，奇点不是一个点(在非旋转黑洞中是一个点)，而是快速转动的环的形状(不过其现实有效性还仅限于推测)。这种环状奇点被闭合类时曲线所包围。在这样的曲线上，你的未来也是你的过去，理论上你有可能在你的父母出生之前谋杀你的祖父母!因此，闭合类时曲线的存在让与时间旅行相关的各种悖论成为可能。对此一种可能的解决方案是承认我们没有将量子力学(描述非常小的物体)和广义相对论(描述非常重的物体)联系起来的理论，也就是我们没有量子引力理论。我们不知道极重却极小的物体的物理特性。大多数物理学家认为我们需要这种理论，才能充分理解非常接近奇点的地方的时空特性。因此，或许爱因斯坦场方程的这些奇怪的解并不真正存在于宇宙中，因为它们被基本的量子力学性质所禁止。例如，量子效应可能会使虫洞不稳定。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)认为情况确实如此，并将这一原则称为“时序保护猜想”。他讽刺道：这是可以保证宇宙免于历史学家侵害的基本原则。

旋转黑洞的内部有许多事情都在我们对基础物理的理解极限之外，因此我们很多描述都是高度依赖推测的。相比之下，黑洞的旋转及其对周围环境的影响，对于理解我们用望远镜所看到的东西具有巨大的现实意义。因此，接下来我们将更加详细地考虑当物质落入黑洞时会发生什么。

[1]　原文为“spin is as inevitable in real astrophysical black holes as it is in current-day politics”。此处spin一词有“自旋”和“倾向性报道”两个意思。

[2]　此处为a bad hair day的双关，hair可以指黑洞的参数，而a bad hair day是指不愉快的一天。

[3]　进动是指旋转物体在外力的作用下，自转轴绕某一中心旋转。

[4]　即克尔得到的旋转黑洞的度规。

[5]　能层英文为ergosphere，其中sphere的意思是球面。