- 时间标记的选择。
在对应于线元(25)的[ t , r , q , j ]坐标中,度规的行列式为:
(34)

当r变为零时,该行列式消失。无论如何,1924年,爱丁顿[10]证明了度规的零性是依赖于坐标的。让我们首先回到初始形式
(35)

强调坐标系的选择是纯粹任意的这一事实,因为度规作为张量形式方程
(36)
S
= 0
的解基本上是坐标不变的。我们决定粒子沿测地线运动。任意选择的坐标为这个几何解带来了物理意义。我们可以选择x� = ct,c为常数。但我们也可以选择另一个参考系。这取决于我们。对于所选择的时间标记x�或t、x,唯一的要求是度规应是渐近欧几里得的:
(37)

或:
(38)

如在笛卡尔坐标系中所表达的那样。记住,如果能找到一个坐标系使线元二次型具有常系数,则黎曼度规就是欧几里得的。符号的集合就是号差。
如果后者是( + - - - ),这就是闵可夫斯基度规。
(39)

被等同于一个基本距离,那么要求度规“在远距离处”渐近欧几里得似乎是一个合理的要求,无论对这种距离(r或r,如上所述)选择何种定义。
“宇宙时”或“空间标记”的定义仍然是一个完全自由的选择。反之,我们不能修改固有时s,或者更确切地说,不能修改流形上两个给定点之间的时间间隔Ds,因为它基本上是坐标无关的。此外,人们假设粒子可以沿给定的测地线双向运动。

图12:粒子沿给定测地线的运动。
试验粒子沿测地线的运动是一个现象。流形的另一条测地线被假定参照某个“静止的外部观测者”。但静止状态取决于坐标选择(x�, x1 , x2 , x3),而这完全是任意的。
这个“外部观测者”被假定位于流形中度规为欧几里得或准欧几里得的部分,即具有形式(37)。那么静止条件意味着
(40)
dx1 = 0
dx2 = 0
dx3 = 0
对于这样一个静止状态观测者,任何固有时间隔都等同于相关联的任意选择的“宇宙时间隔”:
(41)
Ds
= Dx�
……宇宙时的选择是纯粹任意的,试验粒子在时间中的演化取决于这一选择。考虑给定测地线上的两点A和B,该测地线被假定参照一个外部观测者。这些点是时空事件。在图13中,虚线被假定参照恒定的宇宙时x�。

图13:“静止的外部观测者”“考察”试验粒子沿测地线的演化。宇宙时x�
现在考虑另一个宇宙时选择x。见图14。

图14:“静止的外部观测者”“考察”试验粒子沿测地线的演化。宇宙时x
让我们明确,虚线不是光子的路径。光子沿特殊的零测地线运动,这些测地线是坐标不变的。
我们仍然有Ds(O) = Dx� = Dx,但间隔Ds'(TP)和Ds"(TP)可能相当不同,尽管它们参照同一条测地线,因为对(A',B')和(A",B")可能不同。基本上,它们取决于所选择的时间坐标或“时间标记”。
- 爱丁顿的时间坐标变换及其扩展形式。
以下由爱丁顿于1924年引入的坐标变换是这一点的一个例证:
(42)

然后线元变为
(43)

由于gxx项在球面r = Rs上变为零,后者是一个无限红移面(如同经典史瓦西度规线元中那样)。矩阵变为:
(44)

其行列式为:
(45)
- r 4
sin2 q
不再消失,无论r值如何。由于稍后将解释的原因,让我们将此坐标变换扩展为:
(46)

用( x , r , q , j )坐标系表达,线元变为:
(47)

其行列式具有相同的形式(44)。注意爱丁顿的坐标变换对应于d = - 1值。
我们使用基于以下函数的拉格朗日方程来研究测地线:
(48)

其中:

此外,从线元表达式,我们经典地有,对于物质粒子(ds � 0):
(49)

一个拉格朗日方程给出:
(50)

考虑平面测地线q = p/2,这给出:
(51)

沿测地线,相对于固有时s,j的演化是单调的。另一个拉格朗日方程给出:
(52)

即:
(53)

与(49)结合,令人惊讶地,d消失了:
(54)

注意,如果当r趋于无穷时dr = 0(零速度),则对应于l = 1。当r趋于无穷时,根据(53):
(55)

如果l � 1,当r趋于无穷时,我们得到:
(56)

其中

我们得到
(57)

在[ r , j ]中,对于非零测地线(ds � 0),我们重新找到了经典形式的微分表达式:
(58)

它提供了图7、8和9的图案。现在我们可以通过以下方式定义一个新的宇宙时:
(59)
x = ct
……线元(43)仍然是渐近欧几里得的。在“远距离处”,静止观测者的固有时Ds等同于间隔Dt。
- 径向路径的时间间隔。
我们可以通过微分方程计算沿测地线的非零质量粒子的时间间隔Dt = Dx/c:
(60)

对于“径向测地线”( h = 0 ):
(61)

靠近史瓦西球面,我们得到:
(62)

l = 1对应于速度在无穷远处趋于零的试验粒子。
考虑那个特殊情况:
(63)

由(54)
n = - 1对应于(dr < 0)路径。
n = +1对应于(dr > 0)路径。
……注意特殊的爱丁顿坐标变换(对于r � Rs)对应于d = + 1。当我们计算试验粒子相对于这个新宇宙时的径向旅行时间Dt时,我们发现后者取决于该运动的方向以及d的符号,即取决于乘积dn。当它为正时,试验粒子沿径向测地线(r � Rs)的旅行时间是有限的。当它为负时,这个旅行时间变为无限。
……作为第一个推论,如果应用于球对称黑洞模型,爱丁顿的坐标变换给出有限的自由下落时间Dt。当r = Rs时,粒子的速度变为:
(64)

一个向史瓦西球面下落的试验粒子以速度c到达它。
- 光速。
光子沿零测地线运动,对应于:
(65)

考虑速度:
(66)

由(65)我们得到:
(67)

当r趋于无穷时,vj趋于� c。
当dr < 0时,我们有n < 1。然后,当r = Rs时,对于(d r< 0)路径:
(68)

当一个试验粒子沿径向路径向史瓦西球面下落时,它以光速到达它。
总结:
(69)

(70)

考虑(dr > 0)或(d r< 0)路径,光速是不同的。
- 参考系拖曳效应。
考虑克尔度规:
(71)

其中r是不同于上述定义的空间坐标。我们只是复现参考文献[1]的方程7.110。
计算与圆相切运动(q = p/2, r = 常数)的光子速度(ds = 0)。我们得到:
(72)

即两个不同的值。这对应于方位角参考系拖曳,是克尔度规的一个性质。从参考文献[1]的7.7“克尔解与旋转”中我们读到:
克尔解的旋转性质产生了一个非常有趣的物理效应;沿测地线运动的物体受到一个与参数a成正比的力,令人联想到科里奥利力。粗略地说,我们可以把旋转源想象为“拖曳”着空间随之运动。在馬赫意义上,源在建立局部惯性系时与无穷远处的洛伦兹边界条件“竞争”。
用爱丁顿坐标重新表述,黑洞作为场的源,诱导了一种径向参考系拖曳。
- 黑洞与白喷泉。
在第4节中,我们提出了对史瓦西几何的一种新解释,其中史瓦西球面(见图9)表现得像一个喉球面,连接两个“半时空褶皱”。我们可以想象一个类似的结构,结合以下两个史瓦西几何:
(73)

(74)

这两个都源自(43),第一个线元(73)对应于d = -1,第二个(74)对应于d = +1。连接不产生困难,因为d不出现在测地线的[ r, j ]表示的计算中。见方程(58)。我们得到一对“黑洞-白喷泉”,没有“中心奇点”。物质可以进入黑洞,但不能出去。在另一侧,物质可以流出白喷泉,但不能进入。在一个方向上通行时间是有限的,而沿另一个方向则是无限的。用新宇宙时x计算,有限的通行时间类似于用固有时s计算的时间。对于径向路径:
(75)

这个时间非常短。如本文所示,黑洞模型基于对坐标特别是宇宙时的特殊选择。如第6节所指出的,时间标记的选择是纯粹任意的。经典的选择给出一个准稳态系统,其中倒入黑洞的物质的下落相对于外部观测者“在时间中被冻结”。但本文表明,另一种源自爱丁顿思想的时间标记选择“解冻”了这一过程。从这个观点来看,黑洞或黑洞-白喷泉对不能作为永久物体存在,因为它们每毫秒可以吞下数十个太阳质量。因此仍然存在一个悬而未决的问题:
- 当中子星超过其稳定性极限时会发生什么?
- 表示空间。
在尝试提出一个替代模型方案之前,先谈谈我们可以称之为“表示空间”的东西。在本文开头,我们研究了一个由线元定义的二维曲面。似乎可以将这个曲面嵌入R3中,这给出了这个几何对象的等距表示。顺便提一下,我们提到了一个[r,j]表示。
不可能给出四维超曲面的明显表示,因为我们无法画出它并展示图形。但超曲面可以在许多表示空间中描绘,对应于各种坐标选择,因为该对象基本上是坐标不变的。例如,我们可以引入变换(6)。然后线元变为:
(76)

对于r > 0
以及:
(77)

对于r < 0。
“径向”测地线(例如q = p/2 , dj = 0)聚焦于系统的几何中心O(在这个特殊表示中)。这个点可比作一个“超锥点”。
在三维空间中关于一个点的对称是P对称。
在这个[ t , r , q , j ]中,史瓦西线元是P对称的。它也是时间无关的(通过时间平移不变,即对应于稳态),是T对称的,通过以下变换不变:
t � - t