引子

2025.9.19

宇宙中那些看不见的引力漩涡并非静止的死亡陷阱，而是以接近光速旋转的宇宙发电机。今天，就让我们一起探索旋转黑洞的奇妙世界，看看这些宇宙陀螺如何颠覆我们对时空的认知。

宇宙的旋转常态

大多数普通人心目中的那个黑洞都是史瓦西黑洞，这其实是一个纯理想化的、完美的黑洞。史瓦西黑洞是一个不带电、不旋转、绝对静止的引力深渊。然而，在真实的宇宙中，这样的黑洞几乎是不存在的。因为，在宇宙中几乎没有不自转的天体。

从微观的电子，到宏观的行星、恒星，再到我们身处的整个银河系，宇宙中的万事万物，都在旋转。旋转，是宇宙的常态。一个由大质量恒星坍缩而成的黑洞，必然会继承其母体恒星的角动量，进行高速的旋转。

快速旋转的棕矮星，图源：NASA

这背后，是一条宇宙中最根本的物理定律——角动量守恒。关于角动量守恒的知识，你可以回顾本系列节目的，这里不再重复讲。

一颗半径数百万公里、正在缓慢自转的大质量恒星，当它的生命走到尽头，在自身引力的作用下，轰然坍缩成一个半径只有几十公里的黑洞时，它的半径缩小了成千上万倍。根据角动量守恒定律，它那原本缓慢的自转速度，也必将被浓缩和放大到极为夸张的程度。比如说，如果太阳被压缩成黑洞，它的自转线速度将达到光速的 11%。而太阳其实太小了，小到不可能自然坍缩形成一个黑洞。一颗恒星想要坍缩成黑洞，半径怎么也得大于百万千米，它的角动量会比太阳大得多得多。所以，一个新生的黑洞，几乎注定是一个以接近光速旋转的宇宙陀螺。

像这样一个高速旋转的黑洞，它周围的时空将会是怎样一个景象呢？还记得我们在那一节讲过的吗？第一个解决这个问题的人是一位来自新西兰的数学家罗伊·克尔（Roy Kerr），他在 1963 年的成果被学术界称为克尔解。

罗伊·克尔（Roy Kerr）

克尔解描述的，是一个更贴近真实的、旋转的黑洞。

克尔的发现，彻底改变了我们对黑洞的认知。他向我们证明，当黑洞旋转起来时，它就不再是一个被动的引力陷阱了。它会变成一个主动的、充满力量的宇宙发电机。它不再只是静静地等待猎物掉入陷阱，而是会主动地将周围的时空卷入自己的“舞池”，强迫它们随着自己狂野的节拍，跳起一支无可抗拒的宇宙华尔兹。这支舞的舞伴不是别人，正是时空本身。

今天，让我来给你详细讲一讲克尔黑洞是怎样的一种奇特的存在。

参考系拖拽：时空的漩涡效应

在爱因斯坦的广义相对论被提出来不久，理论物理学家们就注意到，广义相对论中存在一个非常有趣的效应，被称为参考系拖拽（Frame-dragging），有时学术界也会用发现它的科学家名字来命名，称为冷泽-提尔苓效应（Lense-Thirring effect）。

1918 年，奥地利物理学家约瑟夫·冷泽和汉斯·提尔苓在仔细研究了爱因斯坦的场方程后，就提出一个预言，他说任何一个旋转的物体，都会对周围的时空产生微弱的拖拽。

为了让你理解“参考系拖拽”到底是什么概念，我们还得回到那个“时空蹦床”的比喻。

一个不旋转的史瓦西黑洞，就像一个静止的保龄球，它只会把蹦床压出一个静态的凹陷。你可以在这个凹陷的边缘，找到一个位置，让自己保持静止。

但是，如果这个保龄球，现在开始高速旋转呢？它不仅仅会压弯蹦床，更会像一个在粘稠的糖浆中旋转的打蛋器一样，搅动着周围的糖浆，让整个凹陷都跟着它一起旋转起来，形成一个“时空漩涡”。这就是参考系拖拽。

参考系拖拽

其实，即便是我们地球的自转，同样也会拖拽着我们身边的时空。只不过，地球的引力太弱了，这个效应微乎其微，在当时，是不可能测量出来的。

直到 2004 年，美国国家航空航天局发射了一颗名为“引力探测器 B”（Gravity Probe B）的卫星，才最终在实验上，精确地验证了这个效应的存在。这次实验的精巧程度，堪称人类工程学的奇迹。卫星上搭载了四个由熔凝石英和硅制成的陀螺仪，它们被精心打磨成了当时人类能制造出的、最接近完美光滑的球体。

引力探测器 B，图源：NASA

它光滑到什么程度呢？这么说吧，如果把它们放大到地球那么大，它表面的凸起，最高也不会超过 4 米！这些陀螺仪被冷却到接近绝对零度，并被放置在一个几乎完美的真空环境中，以排除一切可能的干扰。这些陀螺仪的自转轴被精确地对准一颗遥远的恒星，以此作为绝对静止的参照物。

然后，科学家们对着这 4 个陀螺仪仔细观察了一年。他们观察到，这些陀螺仪的自转轴，果然发生了极其微小的、被地球自转拖拽而产生的进动。其偏转的角度，每年大约只有百分之一角秒，也就是一度的 36 万分之一，但这微小的偏转，与广义相对论的预言，是完美符合的。

所以，参考系拖拽效应是一个实实在在存在于我们这个宇宙中的现象，并不是出自理论物理学家的猜想。

能层：黑洞的能量提取区

现在，我们回到克尔黑洞，它就是这样一个在宇宙中高速旋转的“时空漩涡”。

如果我们把地球自转产生的时空漩涡，比喻成我们对着空气吹一口气产生的漩涡。那么，一个黑洞，是将一颗比太阳重几十倍甚至上亿倍的恒星，压缩到一个城市大小的空间里，它产生的“时空漩涡”，那就像是一场台风，是灾难性的。

这个效应，会在黑洞周围，创造出了一个全新的、独一无二的区域，这个区域被科学家们命名为——能层。能量的能，楼层的层。

它的含义正如它的名字所暗示的，是一个可以提取能量的特殊区域。整个能层在三维空间中，形成一个类似橄榄球的形状，包裹在黑洞的事件视界之外，它的两极与事件视界相切，赤道处则最为宽阔。打个比方来说，能层的外观就好像一只橄榄形状的眼睛，中间的瞳仁就是能层包围的黑洞事件视界的范围。

能层有一个极其诡异的特性：在这里，静止是不被允许的。

想象你驾驶着一艘拥有无穷动力的飞船，来到了克尔黑洞的能层边界。你想要停下来，看一看风景。于是，你将飞船的引擎马力开到最大，朝着与黑洞旋转相反的方向，奋力地向后喷射。

但是，你会惊恐地发现，你所有的努力，都是徒劳的。因为，无论你的引擎有多么强大，你的飞船，依然会身不由己地被一股无法抗拒的力量，拖拽着，随着黑洞旋转的方向，向前飘去。

为什么会这样？因为在这里，被拖拽的，不仅仅是你的飞船，而是你脚下的空间本身！是空间本身，正在被黑洞拖拽着，以光速，甚至比光速还快的速度，围绕着黑洞旋转。

你没有听错，我说的确实是甚至比光速还快。咦，不是说光速是宇宙中的最快速度吗？请注意，严格来说，光速最快指的是任何信息或者能量的传播速度无法超过光速。而空间本身的膨胀速度或者旋转速度，完全可以超过光速，并不违反相对论。因为这种运动并不能用来传播信息或者能量。

这就好比，相对论规定了你在高速公路上不能超速，但没规定高速公路本身不能移动。在能层里，你脚下的时空“高速公路”本身，有可能以超光速被黑洞拖拽着走！

彭罗斯过程：黑洞能量窃取术

这就像是你站在一个高速运转的传送带上，即使你拼命地向后跑，但只要你跑步的速度，比不上传送带前进的速度，那么，在站在地面上的人看来，你依然在被带着前进。

在能层里，时空就是那条高速运转的传送带。一旦进入，你就只能随波逐流，成为这场时空华尔兹中，一个身不由己的舞伴。

“能层”之所以叫这个名字，是因为英国著名物理学家罗杰·彭罗斯的发现。他从这个疯狂的“时空漩涡”中，看到了一个惊人的可能性。

罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）

你可能对彭罗斯这个名字有点儿陌生，实际上，他是 20 世纪物理学天空中一颗璀璨的明星，一位真正的“跨界鬼才”。他的父亲是著名的遗传学家，母亲是一位医生，哥哥是国际象棋大师，而他自己，则是一位数学家出身的物理学“骑士”。与大多数物理学家习惯于用复杂的代数方程来思考世界不同，彭罗斯最强大的武器，是他的几何直觉。他有一种匪夷所思的天赋，能将最艰深的物理问题，转化成一幅幅清晰的、关于时空形状与拓扑结构的图像。对他来说，广义相对论不是一堆方程，而是一套关于时空如何弯曲、折叠、撕裂的说明书。

正是凭借这种无与伦比的几何洞察力，彭罗斯在 1965 年发表了一篇划时代的论文，他利用数学中的拓扑学证明，只要广义相对论是正确的，那么在恒星坍缩的尽头，奇点的出现是不可避免的。

这篇论文，深深地影响了当时还是一位年轻博士的斯蒂芬·霍金，开启了两人后来长达数十年的合作与友谊。他们共同提出的“彭罗斯-霍金奇点定理”，为黑洞的真实存在，提供了最坚实的理论基石，彭罗斯也因此荣获了 2020 年的诺贝尔物理学奖。原本应该是霍金和彭罗斯共同得奖，但很遗憾的是，霍金在 2018 年去世，按照诺奖的惯例，不颁发给去世的人。

20 世纪 70 年代，斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯一起创立了奇点理论

当别人还在为克尔解的复杂方程头疼时，彭罗斯却仿佛“看”到了那个旋转黑洞周围时空的几何形态。他敏锐地意识到，在“能层”这个被拖拽的时空漩涡里，存在着一些“负能量”的轨道。这个发现，让他构思出了一个惊世骇俗的思想实验，一个理论上可以从黑洞中“窃取”能量的完美计划。这个巧妙的思想实验，后来被称为“彭罗斯过程”。

想象一个高度发达的文明，他们建造了一个可以发射物体的装置。他们将一个物体，精确地射入克尔黑洞的能层。然后，在能层内部的某个点，这个物体分裂成两半。这时候，需要精确地将其中一半物体推向一个特殊的、能量为负的轨道，这个轨道会确保它最终掉入事件视界。同时，它需要将另一半物体推向一个能量为正的、能够逃离能层的轨道。

彭罗斯通过计算惊人地发现，如果这个过程设计得当，那么飞出来的那一半物体，它所携带的能量，可以比我们当初发射的整个物体的初始能量还要大！

这简直是宇宙中最顶级的“能量盗窃案”！能量守恒定律当然没有被打破，多出来的能量，正是从黑洞自身的旋转能中“偷”来的。掉进去的那一半物体，就像是窃贼留下的一张“欠条”，它用自身的负能量，支付了这次“盗窃”的代价——让黑洞的转速，慢下那么一丝丝。

你可能会对我刚才的讲述中出现的“负能量”这个词充满了疑惑，难道能量还能是负的吗？对，能量可以是负的。这就好像海拔高度也可以是负的一样。在地球上，海平面的高度被定义为海拔 0 米，高于海平面，海拔高度就是正的，而低于海平面，海拔高度就是负的。同样的道理，物理学家们把真空具有的能量定义为零，高于真空的能量定义为正能量，那么，负能量就是指比真空中蕴含的能量还要低的能量。

彭罗斯的发现告诉我们，一个旋转的克尔黑洞，就像一个巨大的、可以被利用的宇宙电池。一个足够先进的文明，完全有可能通过彭罗斯过程，从黑洞中源源不断地提取能量，供自己使用。

电影《星际穿越》中的“卡冈图雅”黑洞就是一颗高速旋转的克尔黑洞

听我讲到这里，你就能看懂在电影《星际穿越》中，为什么男主库珀通过牺牲自己，也就是掉进黑洞来拯救永恒号不被黑洞吞噬。库珀就是进入负能量轨道的一半，而永恒号则是逃离能层的另一半。

克尔黑洞的奇妙结构

讲完了克尔黑洞外部结构，我们继续讲克尔黑洞的内部结构。克尔黑洞的内部结构，也比史瓦西黑洞要复杂得多。

一个旋转的黑洞，拥有两个事件视界：一个叫外事件视界，另一个叫内事件视界。我们打个比方，如果我们把黑洞比喻成一座只进不出的监狱。那么，这座监狱有两座围墙。一旦穿过外面的围墙，就被永远困在了监狱中，再也无法回到外面的世界，它是时空瀑布的边界。但是，在监狱中还有另外一堵更加神秘莫测的围墙包围着，它就像一个禁闭室。

在这个禁闭室中，有一个环形的奇点。是的，奇点也不可避免地被时空漩涡卷成了一个环！这意味着，在宇宙的终极审判庭中心，竟然出现了一个“空洞”，一条理论上的“生路”。这立刻就让物理学家们（以及后来的科幻作家们）浮想联翩：我们，有没有可能，安全地穿过这个“奇环”，进入一个全新的宇宙呢？这个问题，我们留到后面的章节再详细探讨。这里暂且按下不表。

现在，让我们回到《星际穿越》，回到那个核心问题：为什么电影中的黑洞“卡冈图雅”，必须是一个高速旋转的克尔黑洞？

答案，并不仅仅是为了让它看起来更酷，更是因为，只有克尔黑洞，才能为电影中最关键的那个情节——米勒星球的“一小时等于地球七年”——提供一个科学上成立的物理基础。

我们知道，要产生如此极端的时间膨胀，米勒星球必须运行在一个离黑洞事件视界极近、极近的轨道上。

但是，对于一个不旋转的史瓦西黑洞，物理学计算告诉我们，存在一个“最内稳定圆轨道”。对于史瓦西黑洞，这个轨道的半径，是其史瓦西半径的 3 倍。任何物质，一旦运行到比这个轨道更近的地方，就不可能再有稳定的轨道了，它唯一的命运，就是像打着旋的落叶一样，螺旋着坠入黑洞。也就是说，在史瓦西黑洞周围，你根本不可能找到一个既能稳定存在、又能离事件视界足够近的行星。

但是，克尔黑洞的“参考系拖拽”效应，改变了这一切。

那个被拖拽着旋转的时空漩涡，本身就对轨道上的物体，提供了一种额外的“支撑力”。它就像一股顺风，在后面推着你，让你更容易保持在一个高速的轨道上。

所以，对于一个高速旋转的克尔黑洞，它的“最内稳定圆轨道”，可以被大大地压缩。一个旋转到极致的黑洞，它的最内稳定圆轨道，可以无限地逼近，甚至与它的事件视界重合！

这，正是《星际穿越》的剧本得以成立的关键。基普·索恩经过计算后告诉诺兰：只有当“卡冈图雅”是一个以接近光速的极限速度在旋转的克尔黑洞时，我们才有可能在它的事件视界边缘，找到一个像米勒星球那样的、可以稳定运行的轨道。索恩甚至给出了精确的数字，为了达到电影中那种 1 小时等于 7 年的时间膨胀比例，“卡冈图雅”的旋转速度，必须达到光速的 99.9999999%！小数点后面至少 7 个 9。

所以，电影中那个迷人的、疯狂旋转的时空背景，不仅仅是视觉特效，它本身，就是剧情的一部分。

现在，我们已经为米勒星球，找到了一个理论上可以存在的空间区域。它正紧贴着一个急速旋转的巨兽的喉咙，跳着一支宇宙中最危险的华尔兹。

那么，在米勒星球上，会出现哪些匪夷所思的现象呢？

科学有故事，我们下期接着聊。

给家有好奇宝贝的爸妈们：

黑洞的奥秘让人着迷，但对孩子来说，理解时空弯曲、奇点这些概念可不容易。

而我在喜马拉雅的新专辑 「汪诘的十万好奇博物馆」，正适合对宇宙黑洞感兴趣的小朋友，目前已经更新到最好玩的黑洞故事。我会化身专属导游，用更适合孩子的讲述方式，把复杂的黑洞、引力波变成一场场太空大冒险。这正是培养孩子科学思维和宇宙观的绝佳起点， 快带上孩子一起来听吧～