但有些表面本身是奇异的,它们的奇异性并非源于坐标的选择。例如,锥形奇点。
1917年,施瓦茨希尔德在t、r、θ、φ(时间、径向距离和两个角度,相当于方位角和极角:即“球坐标”)坐标中提出了一种“铸造粗糙”的形式,施瓦茨希尔德球面是奇异的。当“径向坐标”r取某个特定值Rs(本应从“几何中心”测量)时,这个度规会制造出最糟糕的问题。在这个球面上,其中一个项的分母为零。总之,它在这个球面上是奇异的。这是否是内在奇异性,还是由于坐标选择不当造成的伪象?这就是我们提出的问题。
顺便指出,“施瓦茨希尔德几何”是一个四维的超曲面,这使得问题更加复杂。
克鲁斯卡尔关注了这一点。他构造了一种坐标变换,其中还包括在径向轨迹上保持光速恒定。这样,他将奇异性的方面集中在“物体中心”的“中心奇点”。从心理上讲,人们似乎觉得这样更好。解变得“几乎处处规则”,数学家用这个术语表示解是规则的,没有病态,除了一个点。
- 你不会因为一个简单的点而挑剔,和我找茬吧……
不幸的是,克鲁斯卡尔的这种表述有一个严重缺陷:它在无限远处无法还原出狭义相对论的空间。技术上讲,它在无限远处不是洛伦兹的,即“渐近洛伦兹”。
这是物理学中的一个关键问题:奇点是否存在?大自然是否容忍奇点?答案是用信仰来表述的(正如对无限存在或不存在的信仰一样)。
我们尝试消除这种施瓦茨希尔德几何中的所有奇点,并成功了。因此我们的答案是:
- 施瓦茨希尔德解的奇异性只是由于坐标选择不当造成的。
技术上,一切都取决于变量的替换:
r = Rs + Log ch r
这读作“r等于Rs加上r的双曲余弦的对数”。对科学家、专家或普通学生来说,这很简单。对于懂得使用这个公式的人来说,r的值将不能再小于Rs,即使r取所有可能的值,从负无穷到正无穷。
考虑一个由绕直线旋转抛物线得到的表面,如下所示:
这个图来自文章。这个表面是无限的,就像绕z轴旋转的抛物线母线一样。如果你坚持用(r, z, φ)坐标来表示它,当你问“r < Rs时这个表面是什么样”时,就会遇到麻烦。
你将得到一个答案……是虚数,因为此时你“在表面之外”。
在数学中,这个表面被称为“非单连通”,这个术语指的是这样的表面:任何闭合曲线都不能通过在表面上滑动而使其周长减小到零。
这在球面(“单连通”)上是可能的。但在这种表面上,很明显,任何绕着这个“中心凹陷”转一圈的闭合曲线都无法使其周长趋近于零,其极限是“喉部圆周”。同样适用于环面,它也是“非单连通”的。
我们从它的度量出发定义了这样的表面,这很好地说明了这个观点。保留坐标r,这个表面看起来是奇异的。而使用上述变量替换后,它就不再是奇异的。这个坐标r代表什么?它只是沿着如图所示的母线抛物线延伸,其值在喉部圆周上为零。表面的一半对应r为正,另一半对应r为负。在[r, φ]坐标系中,不再有奇点。
我们决定将这种物体称为“环形桥”,这是与环面类比而来的。
但可以很容易地证明,从度量出发,我们可以进入一个三维超曲面,它包含一个“超环形桥”。此时不再是一个喉部圆周,而是一个喉部球面。就像上面的表面中,一个喉部圆周似乎连接了两个二维表面,这个喉部球面则连接了两个三维“半空间”。当你处于其中一个三维半空间中并进入喉部球面时,你会进入另一个三维半空间。
回到上面展示的二维表面。下图显示,当画出“看似同心圆”的圆时,它们的周长会减少,达到最小值,然后再次增加。
在三维中,可以想象一个完全包围喉部球面的球体。然后另一个球体位于这个球体内部(按照某个方向朝向喉部球面,应该说“在它的另一侧”)。可以想象这个球体的表面可能更小。但当到达喉部球面时,面积会达到最小值,然后再次增加……直到无限,当你继续这个过程时。
我们已经构建了这些二维和三维表面的“度量”,它们包含“环形桥”和“超环形桥”,在后一种情况下,我们被其与施瓦茨希尔德度量的相似性所震惊,因此我们进行了这种坐标变换,使它呈现出“非单连通性”,“物体内部”变成了“喉部球面之外”。
这样,所有的奇点都被消除了。
在这一阶段,我们只是将黑洞模型扩展为一个“黑洞-白洞”双体。但,对于这个“外部观察者”来说,穿过这个超环形桥的时间仍然是无限的。我们似乎只是改进了黑洞模型,解释了它最终通向哪里。
我们说过,在几何解中,变量的选择是完全任意的。但空间的规则同样适用于时间。因此,我们寻找了爱丁顿于1924年发明的时间变量变换:
再次提及这一点,是为了科学家或普通学生。
t是旧的“宇宙时间”,是1917年施瓦茨希尔德初始解中的旧“时间变量”。
t'是这个新的“爱丁顿时间”。Rs是“施瓦茨希尔德半径”(应该说是“施瓦茨希尔德周长”除以2π)。
c是光速(这里为常数)。
看起来有些奇怪的是,我们把时间和空间混合在一起,但在这方面,我们有权利这么做。时间坐标或时间标记(time-marker)的选择是完全任意的。我们只需要:
-
度量在无限远处是渐近洛伦兹的,即在无限远处,时空变为闵可夫斯基时空,即狭义相对论的时空。在我们的情况下,这有效(在克鲁斯卡尔那里无效)。
-
这个新时间t'……