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以外的所有允許的運動。這些運動軌線必須都保持在光錐內部,也就是說,它們不可能與垂直方向偏離45“以上。
作為一個例子,考慮一隻落入黑洞和中心奇點的飛船(曲線ABCDE)。飛船發出的電磁訊號沿45“方向行進(圖中虛線)。自身世界線為雙曲線的遠處觀測者只能收到在AB和C 處發出的訊號,隨著飛船趨近黑洞,接收訊號的紅移增大,表現時間凍結現象很自然地出現。飛船穿越視界時紅移變得無限大,光線沿著視界無限期地繞行,經過無限長時間後才能到達觀測者處。飛船越過視界以後在E點發出的訊號不可能逃出黑洞,而是註定要消失在將來奇點裡。
克魯斯卡圖揭示了史瓦西時空最本質的結構,對白洞、蟲洞和到“另一個宇宙”旅行等問題作出了明確的回答。視界與奇點之間的區域確實是一個洞,但是是什麼顏色的呢?顯然,黑洞這個名稱必定與飛船落入的將來視界(上半部)相聯絡。另~方面,注意由洞內F點發射的粒子和電磁訊號可以很容易地離開視界而進人外部宇宙,因此,過去視界的內部(下半部)就是一個白洞,物質從中飛出,與坍縮正相反。
還剩下關於對稱的時空片,即右方和左方的外部宇宙的問題。只要再看一下克魯斯卡圖就能認識到,從外部宇宙的一片到另一片而又不透過奇點是絕不可能的。換句話說,史瓦西喉在中途被中心奇點的無限強引力場卡死了,沒有任何東西能夠透過。
原初白洞
可予駁斥也是理論的一種魅力,而且不是最小的一種。
——茨切(F·NietZSChe)《超越善惡》
任何一個曾羨慕過愛麗絲仙境奇遇的人現在開始覺得有點灰心了,史瓦西黑洞作出了對另一個宇宙的閃光預測,是那麼誘人,然而探索的道路被奇點阻塞了。
讓我們對此坦然接受吧。在生活中,每當我們希望的事沒有發生時,我們總安慰自己說,那畢竟是不可能發生的。這種論證適用於白洞。這一節再來考察真實世界,考察實地,而不是地圖。
真實世界是過於複雜了。物理學家為理解觀察到的現象所能做的最好事情就是建立數學模型,而模型只是真實事物的理想化影象而已。再考慮一下克魯斯卡圖,這是探索黑洞內部時空的一個極其有效的工具,但是顯然仍是理想化的:它假定引力源是集中在一個奇點上,奇點總是存在,周圍是真空,並隱藏在視界後面。然而在真實宇宙裡,黑洞是怎麼形成的呢?很可能是透過引力坍縮,而這個過程與克魯斯卡圖所顯示的對稱狀態是大不相同的。
再暫時回到圖39中未坍縮恆星周圍的鑲嵌面,我們記得只有恆星外部時空由史瓦西幾何區域表示出來了,其餘部分,即恆星內部,是由一種很不同的幾何來描述的,它取決於恆星物質的構造,並且不包含奇點。這就使人產生了疑慮,即如果一顆恆星在坍縮,那麼只有它將來的事才有物理意義,即將來視界的形成和奇點在將來的形成,而坍縮過程本身怎麼不考慮呢?
隨著恆星的坍縮,其結構和外部時空時刻都在變化。為著描述演化著的幾何,必須在鑲嵌圖中重新引入時間。圖46就是這樣做的,其中既有鑲嵌面的演化序列,也有圖27已給過的完整時空圖。時空“彈性片”越來越嚴重地被坍縮著的恆星所變形,但當黑洞形成時,時空片並不形成一個通往另一宇宙的史瓦西喉,而是形成一個尖點,整個恆星消失於其中。
同以前一樣,鑲嵌技術對顯示視界以內的時空無能為力,仍然需要克魯斯卡圖,圖47就是顯示球形恆星坍縮的克魯斯卡圖。過去視界、過去奇點和外部宇宙的對稱片全都不復出現。留在那裡的只是視界以外的史瓦西幾何區、黑洞和將來奇點。
這樣看來,球形黑洞時空的雙重性只不過是一種數學珍聞,是由完整史瓦西解的理想化的對稱性製造出來的。白洞、蟲洞和並存宇宙都不可能由真實宇宙中球形恆星的引力坍縮來形成。
那麼又為什麼要花這麼多篇幅來討論這些呢?有兩個緣故。首先,恆星實際上並不是嚴格球形的,後面將會看到,轉動黑洞會造出無數的蟲洞,物理學還沒有什麼高招來阻塞它們;其次,有的黑洞可能並不由恆星的引力坍績而形成,而是作為“初始條件”的一部分,從宇宙創生時起就已存在。
一般說來,物理學家並不喜歡假定很特殊的初始條件。在這點上,他們與牛頓的一位同時代人阿奇比肖普·烏歇(ArchbishopUssher)不同,此公在1658年斷言,宇宙是在公元前4004年10月
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