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彭罗斯游戏

一个四岁孩子能懂得这个报告，去给我找个四岁孩子来，我可是一点都摸不着头脑。

——罗乔·马克斯（GrouchO　Marx）

我们对黑洞的探索还远未完结，真实的黑洞是转动的，其内部结构比静止的史瓦西黑洞复杂得多。要对此有所理解，就必须使用最后一种、也是最精致的一种图，它由英国牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯（Roger　Penrose）发明，并已被布兰登·卡特应用于对黑洞的完整描述。

这个游戏有两条规则：第一，它像克鲁斯卡图一样是保角的，就是说光锥像零曲率时那样保持平直；第二，它把无限性引入有限的距离中。彭罗斯图因而能在一张纸上表现出一个黑洞和整个宇宙，把无限空间和无限时间都包括在内。

不妨从明可夫斯基平直时空开始，这种情况的彭罗斯图是图础的“钻石”。这并不奇怪，因为除了运动方向与垂向的夹角不超过45”这一要求外，没有什么别的因素来影响物质和辐射的轨道。狭义相对论的宇宙，没有引力，只是一片均匀的平坦的沙漠。

现在来看静态史瓦西黑洞的彭罗斯图（图49），它与克鲁斯卡图几乎没有什么不同，只是现在时空有着以图上的有限长度来表示的边界。它清楚地显示，史瓦西奇点一一一一一一为过去奇点和将来奇点一一一一Th时空边界，就像曾由无限来表示的边界一样。这个奇点是水平直线，没有任何进入黑洞的世界线能避开它。它是类空的（即与空间轴平行），标志着所有黑洞探索者的严格意义上的时间终点（对宇航员来说，过去奇点并不意味着任何危险，因49静止黑洞的彭罗斯图。史瓦西黑洞时空全部被包容在一个六边形里，角顶由数字1至6标记。外部时空的双重结构清楚可见（左、右两个以视界和零无限线为边界的正方形）。上、下两个由视界和奇点围成的三角形分别是黑洞和白洞的内部宇宙。从一个初始位置0出发的几条可能运动路线已画出。以恒定加速度远离黑洞的宇航员沿A线行进，其速度趋于光速。与黑洞保持恒定距离的宇航员的世界线是B线，必定终止于用项l。C线则是探索黑洞内部的宇航员的世界线，一旦他越过视界，时空结构就有了根本改变。在黑洞外，与黑洞距离恒定的世界线必须是从项角3到顶角1（或者在对称片中是从顶角4到6）；但在黑洞内，恒定位置线连接1和动或者3和心这些线越过光健，因而是被禁止的。在黑洞内保持在一个固定位置上是不可能的，就像在外部宇宙不可能保持在一个固定时间上～样。最后，虚线D　是经过史瓦西喉从外部宇宙的一片到另一片的路径，避开了中心奇点，但这是不可能做到的，因为需要超光速运动．史瓦西喉仍被奇点阻塞。因为要碰上它就必须使时间倒流）。

除了奇点的性质外，还能由彭罗斯图很容易地看到黑洞内部时空的基本特征，这当然已经是熟知的了：视界以外和以内区域都有的双片结构，黑洞内时间和空间方向的互换并使得保持在一个固定位置上成为不可能，以及通过史瓦西喉由一个外部时空进入另一个的不可能性。

狭长的通道

彭罗斯图真正显示威力是在它运用于转动黑洞所造就的克尔时空时，所得到的图比静止黑洞的要复杂得多（图50）。它由向过去和将来都无限重复的方块组成。黑洞有无数个外部宇宙和无数个内部宇宙！

外部宇宙以零无限和视界为边界。每个内宇宙都有一个奇点并被分成几个区域。转动黑洞有一个包围着中心奇点的内视界。每越过一个视界，时间和空间就互换方向，在从外部宇宙到奇点的途中会出现两次换向，于是，在内视界以内时间和空间的方向与黑洞外面正好一样。

这就是为什么奇点是垂直线而非水平线的缘故。事实上它甚至已不再是时空边界，在奇点的另一侧还有一个区域。只要记得现在的奇点已不再是静止黑洞里那个r—0处的中心点，而是一个躺在赤道面上的圆环，那么它另一侧的区域是容易理解的（见图对）。这个环并不规定时空几何的边界，宇航员可以穿过它。转动黑洞的奇异环因而不具有静止黑洞奇点的那种不宽容性。它并不是类空的而是类时的奇性（即与时间轴平行），因此对黑洞探索者来说它并不表示时间的终结（除非他们笨到完全贴着赤道面航行）。除非是由于潮汐力的危险，否则探索者可以来到与奇异环间不容发之