施瓦西黑洞的奇怪性质

由施瓦西解可以得出黑洞很多奇妙的性质和一些令人困惑的问题，下面我们介绍其中的几个。

1）奇点困惑

广义相对论的奇点是一个让人困惑的问题。按照施瓦西解，在临界半径rS＝处的奇点困惑，在20世纪50年代，戴维·芬克斯坦（David Finkelstein）提出，这是由于坐标选择不当造成的。后来，一些人提出了采用坐标变换的方法来处理施瓦西奇点，例如，克鲁斯卡（Kruskal）变换。在《黑洞探疑》一书中作者指出：虽然用坐标变换的方法处理施瓦西奇点，可以消除在以内，空间和时间都丧失了自己的特征，在这个半径附近，用以测量距离和时间的规则都失效了，时间趋于无限，而距离变成零。爱丁顿曾把时空几何的这种奇异性质描述为“我们无法在其中进行任何测量的魔圈”。对于魔圈问题，即施瓦西解在临界半径处的奇点，但这种方法并没有真正解决问题，虽然克鲁斯卡坐标中的度规张量在视界面上没有奇异性，即无穷大不再出现了，但时空却被分成两部分，在克鲁斯卡时空中存在两个互不联通的宇宙。这表明坐标变换实际上没有真正解决问题，而是把困难从一种形式转化成另一种形式，即从原来的时空中出现无穷大，转化成时空被视界分成两部分。

总之，坐标变换的方法并没有真正解决施瓦西奇点问题，只是把问题从一种形式转化成另一种形式。解决奇点问题的正确方法应该是首先找出奇点产生的原因，然后设法消除奇点。

2）视界附近的矛盾现象

黑洞有一个闭合的视界，即黑洞的外边界。对于施瓦西黑洞来说，球面r＝rS就是施瓦西黑洞的视界，其中rS为施瓦西半径。视界的意思是可见区域的边界，也就是说，在视界内的任何物质包括光，都不能跑到视界外面去。而视界外面的物质可以穿过视界，进到黑洞里面来。

广义相对论认为，掉进黑洞视界内的物质都将落入奇点r＝0处，以后落入黑洞的物质也都毫无例外地到达奇点。任何物质一旦进入视界，就再也出不去了，而且，最终都将进入奇点。对于物理学家来说，奇点的出现意味着物理理论遇到了麻烦：黑洞内的所有物质都被压缩到r＝0处的一个奇点，在奇点处，物质密度无限大，压强无限大，时空曲率无限大。而且，在奇点处时间和空间的概念没有了，什么“过去”“现在”和“将来”以及一切因果关系都失去了意义，这是物理学家无法接受的。

黑洞的另一性质是存在一个无限红移面，对于施瓦西黑洞，视界同时还是无限红移面。

根据广义相对论，时空弯曲的地方，钟走得慢，弯曲越厉害，钟走得越慢。黑洞表面处的时空，弯曲得非常厉害，致使那里的钟变得无限慢，从地球上看，黑洞表面的钟停止不动了。如果在黑洞的视界处放一个光源，此光源发出的光传到地球表面时，会出现无穷大的红移，频率会减小到零，波长变成无穷大，因此，在地球表面根本看不到这束光。如果一艘宇宙飞船靠近黑洞，静止于无穷远处的观测者，例如地球上的一个观测者，将看到：飞船越接近黑洞走得越慢，那里的时间好像凝固了。另一方面，由飞船发出的光线的红移越来越大，飞船变得越来越红，越来越暗，逐渐冻结在黑洞的表面上。但是，广义相对论得出，对于飞船上的人来说，情况并不是这样。他除了感受到潮汐力越来越大之外，感觉不到任何异常，他将在有限的时间内穿过视界，进入黑洞。

换句话说，对于飞船能否穿过视界，进入黑洞这个问题，站在地球上的观测者看到的是飞船永远也不能穿过视界。而在飞船上的观测者看到的却是飞船很快就穿过了视界，进入到黑洞内部。对于同一个物理现象，两个不同的观测者，给出两个完全不同的结果。这是黑洞理论得出的又一个奇怪的结果。

3）让人困惑的“时空坐标互换”

广义相对论的研究表明，黑洞内部有一个特点，就是“时空坐标互换”。在施瓦西黑洞外部，r是空间坐标，t是时间坐标。但在黑洞内部，t变成了空间坐标，r成了时间坐标。从外部看，黑洞是一个半径为r的球体，但在黑洞内部，r不再是空间坐标，等r面不再是球面，而成了等时面。这就是黑洞内部的“时空坐标互换”。这些年来，笔者之所以怀疑黑洞理论，其中的一个原因就是实在无法理解“时空坐标变换”这个“高深的理论”。试想一下，如果有一块砖头，它的长、宽、高三个方向分别是x、y、z，现在让这块砖头掉入黑洞，假设砖头下落时其x方向始终保持与r方向重合，当砖头进入黑洞后，时空坐标发生互换，x坐标将变成时间t。让人想不明白的是，如果一块砖头的长度方向变成了时间t，这块砖头会变成什么呢？

总之，由于黑洞具有许多奇怪的性质，而且由黑洞还可以导出令人困惑的问题，因此，施瓦西解一出现，围绕着“施瓦西黑洞（奇点）在真实的物理时空中是否存在”这一问题，物理学家出现了分歧。