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切向速度並與到中心的距離成反比的徑向速度。
現在設想有一隻機器船冒險駛入旋渦(圖35)。船在靜水中的最大速度為20公里/小時。在遠離旋渦時船顯然沒有任何困難來克服水的運動的影響,船可以朝任何方向行駛,可以趨近或遠離旋渦,可以逆著水流航行,也可以不用拋錨而停在一個固定位置。
如果駕駛員決定朝向旋渦行駛,那麼終將出現這樣一種情況,即在與中心的某一距離上,水的圓周運動速度等於船的最大航速即20公里/小時。在這個臨界距離以內,即使船開足馬力,也不能保持在一個固定位置上,而是被迫沿著旋渦的旋轉方向運動。更準確地說,原先能自由地朝任何方向行駛的船,現在被限制在一個張角以內的範圍,這個角由從船的位置射出並與其前方的“航行圈”相切的兩條直線組成。這時的船雖然被環向水流拖曳,但仍能沿一條適當的軌道偏轉,向外旋出,脫離旋渦。
如果這條船仍向內行駛,離旋渦中心太近,以至於水流的徑向速度也達到了20公里/小時(環向速度已遠大於此),致命的時刻就來到了。航行圈直接落入了旋渦口,正如埃德加·愛倫·坡所寫的:“船一被旋渦抓住,就被無可挽回地吸到水底,並被輾成碎片。”
轉動黑洞周圍的克爾幾何也像一個大旋渦,旋渦的中心就是黑洞。被引力彎曲的時空也以渦流的方式流動,正像被旋渦捲動的水面。與水裡的船類似的,可以是一隻飛船,或是任何物質粒子,其最大的允許速度是光速。如圖36所示,一個給定點上的航行圈就是標明允許軌道的光錐的空間投影。
光錐不僅朝引力中心傾斜,而且被沿黑洞轉動的方向拖曳。這種螺線式運動在所謂靜止界限以內是不可抗拒的。在這個區域,光的航行圈,即光錐的投影,與其發射點分離,並向前移動,於是飛船就不可能相對於一個固定參考系(例如遠處的恆星)保持靜止,即使它是以光速航行。
更靠近黑洞中心,還有第二個臨介面。在那裡光錐向內傾斜得很嚴重,以至於任何東西都不能再進出來,這就是視界,它才是克爾黑洞的真正邊界。
視界是在靜止界眼裡面,H者只在兩極處相切。克爾黑洞的這兩個特徵面各有自己的作用。在靜止界限上,時間被“凍結”,輻射被無限地紅移,但只是在視界上物質才被完全囚禁(史瓦西黑洞的視界一身兼具這兩種性質)。
這兩個面之間的時空區域稱為能層,這個名稱是由約翰·惠勒由希臘文的“功”一詞派生出來的,因為在理論上可以利用這個區域的獨特性質來提取黑洞的轉動能量。第13竟將再談到這個驚人的設想。
奇異環
轉動黑洞的內部結構比靜止黑洞的要複雜得多。第一個重要差別是中心奇點,即時空曲率變成無限大的地方。在轉動黑洞裡,那不再是一個點,而是一個平躺在赤道面上的圓環,這個環不再是所有物質都必定向其聚集的時空結。現在已有可能避開奇異環而在轉動黑洞內部運動,或者是在種面的上、下方運動,或者是從環中穿過。這種探索黑洞的新的可能性將在第門章中討論。
還有一個差別:在黑洞的真實邊界以內還有著第二個視界。這個球形麵包圍著奇異環,並“保護”著內、外視界之間的區域不受奇異性的影響(指從奇異環發出的訊號不可能逃出內視界)。隨著黑洞角動量的增大,內視界膨脹而外視界收縮,二者趨於重合。作為極限,對於以臨界速度轉動的極端黑洞,兩個視界都將瓦解,只留下一個裸露的引力奇點。
帶電黑洞
坍縮成黑洞的恆星通常都有磁場。另外,黑洞還從星際介質中吞噬帶電粒子,如電子和質子,因此黑洞就應當還有電磁性質。
雷斯勒(H.Reissuer汗1916年,諾斯特朗姆(.Nordstro…於1918年,各自發現了愛因斯坦方程在帶電質量產生的引力場情況的一個精確解。這個解是史瓦西解的一個推廣形式,即增加了電荷這個參量,它描述帶電黑洞視界外部的時空。
如果黑洞的電磁性質縮減為只是帶有電荷,其前身星的電磁結構(場線,磁極的存在等等)就必然已被大為減化。這裡再次是引力波帶走了恆星的絕大部分電磁屬性,只留下一個總電荷,而且並不是分佈在視界上,而是很像基本粒子所帶的電荷。這個電荷並不改變黑洞視界的形狀,即在黑洞不轉動時仍保持完美的球形c
黑洞的帶電量有一個限度。在這個限度以上視界就會被巨大的電斥力摧毀。保持視界不被破壞所能允許的最大帶電量與