克尔黑洞的原理
克尔黑洞是爱因斯坦场方程预言下的一类带有角动量的黑洞,是二种旋转黑洞中的一种。爱因斯坦方程有一个只依赖于这两个参量的精确解。这个解由新西兰物理学家罗伊·克尔(RoyKerr)于1962年得到,描述的是转动黑洞的引力场。这个理论发现有着重要的天文学意义,其价值不亚于一种新基本粒子的发现。相比于静态的史瓦西黑洞,克尔黑洞更接近于实际物理上的黑洞,因为大多数恒星都具有一定的自转角动量,当它们坍缩成黑洞时仍然会保留部分角动量。
根据科学家研究,克尔黑洞很可能连接着两个世界,但这只是一种推测!具体有待验证!
所有恒星都在自转,因而就不是严格球形的,而是在两极处稍稍变化,于是一颗真实恒星的引力坍缩就不能由球对称的史瓦西解来精确地描述。实际上,恒星周围时空的几何将由于引力波的产生而变得相当复杂。
为什么引力波会扰乱几何呢?道理很简单:所有运动物质(例如一颗转动恒星)的引力场都随时间变化。因此,由引力造成的时空弯曲在每个时刻都会变化,以反映新的物质构造。这种再调节像一种“皱纹”,以光速在背景几何中传播。
球对称性最差的坍缩恒星发出最多的引力波。一旦视界形成,恒星坍缩成了黑洞,情况则立即简化。在视界形成的瞬间,其形状可能仍不规则,并表现出剧烈的振动,但在不到1秒钟之内引力波会抹去所有的不规则性。于是视界停止振动并成为单一的平滑的形状,即一个两极因离心力而变扁平的椭球面。
这就是为什么一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态,这个状态只依赖于两个参量,即质量和角动量,后者表征恒星的转动,类似于基本粒子的自旋。
克尔在史瓦西解的基础上,让这个黑洞模型旋转起来,从而得到了克尔解所描述的黑洞。别小看这个旋转,在黑洞强大的引力下,不仅仅要考虑旋转引起的离心现象,还要考虑黑洞对外部时空的拖曳、对内部时空的扰动,以及相应的黑洞结构的改变和从而产生的影响。因此,克尔黑洞的结构比史瓦西黑洞复杂了许多。
在克尔黑洞的最外层,由于旋转会产生对周围时空的拖曳效应(伦斯——梯林效应),存在着一个判断物体是否可以静止于时空中的静止界面。静止界面外的物体,可以通过推进器等装置在被拖曳的时空旋涡中相对于极远处的观测者静止不动,而在静止界面内,可以断定,物体一定会被黑洞的强大引力拖动,开始旋转。在这个界面内部,和史瓦西黑洞一样存在着视界,但是要比史瓦西视界更加复杂,因为在这里,视界分为两个:内视界和外视界。外视界是物体能否与外界通讯的分界面,而内视界是奇点的奇异性质能否影响外界的分界面。也就是说,进入外视界的物体,必定会被吸入奇点,然后被摧毁,但是还可以在达到内视界以前享受一段相对“安宁”的日子,而一旦进入了内视界,那么任何物体都会在内视界中奇点奇异性质的面前屈服,在达到奇点以前便被摧残殆尽。在外视界和静止界面之间,有一个相对十分广阔的区域,叫“能层”。在能层中蕴藏着黑洞旋转时的旋转能。从理论上,可以在静止界面外建立一个空间站,然后利用抛物投射来提取黑洞的旋转能,得到几乎无穷尽的能源。此外,在能层中,由于黑洞旋转带来的拖曳会将时空撕裂,从而产生穿越时空的虫洞。