在旋转黑洞能层中静止的物体超光速？

文章来源：万象经验
作者：Eugene Wang

在旋转黑洞能层中静止的物体是超光速的。这句话听起来是相当矛盾的：物体怎么可能既静止又超光速呢？为了理解这句话背后的真实情况，我们还得从基础说起。

类时、类光和类空

在20世纪之前，人们认为时间是脱离三维空间的独立维度。在三维空间中，不管坐标系是如何选取的，两个固定点的距离是恒定的，我们可以用如下公式表示：

后来，闵科夫斯基提出，洛伦兹变换是由三维空间和一维时间所构成的四维时空的变换。从此，单独的空间和单独的时间便不复存在，而只有二者的结合才是一项真实的存在。为了纪念他，人们把狭义相对论中的四维时空对应的几何叫作闵科夫斯基几何。

在闵科夫斯基几何中，两点之间的距离不再是一个不变的值，取而代之的是两个事件之间的时空间隔，我们可以用公式表示：。与三维空间中的距离不同，时空间隔不仅可以是正数，也可以是负数和零。

使的区域是类时的，这是一个不必超过光速就可以到达的区域，两个事件之间可以有因果关系；使的区域是类光的，在这个区域当中只能以光速运动，两个事件之间只能有一种因果关系；使的区域是类空的，这是一个只有超光速才能到达的区域，事件之间没有因果关系。

克尔-纽曼黑洞

在爱因斯坦发表广义相对论不久，史瓦西就得到了第一个解，我们称之为史瓦西解。但史瓦西解是比较简单的，只和质量有关。后来，又有物理学家把带电量也加入进去，得到了带电施瓦西解，或称为R-N解。1963年，克尔考虑了旋转的情况，得到了克尔解。后来，纽曼等人把克尔解推广到带电的情况，得到了克尔-纽曼解。在G=C=1的自然单位制下，我们可以把它写成如下形式（了解即可）：

其中，。从这个公式我们可以看出，它由质量M、电荷Q和角动量J这三个参数所决定，角动量J是以单位质量角动量a=J/M来表示。当角动量为零时，它会退化成R-N解；当电荷为零时，它会退化成克尔解；当角动量和电荷为零时，它会退化成史瓦西解。

由克尔-纽曼解所描述的黑洞称为克尔-纽曼黑洞，它有两个视界和两个无限红移面。两个视界的半径为：，而两个无限红移面的位置为：。

从这两个式子我们可以看出，无限红移面和视界并不像我们所熟悉的史瓦西黑洞一样是重叠的。在无限红移面和视界之间，就是所谓的能层：外无限红移面和外视界之间是外能层，内无限红移面和内视界之间是内能层。此外，内外两个视界之间的区域是单向膜区，进入此区域的物体将不可避免向内部落去。

拖拽效应

现在，我们考虑一个在克尔-纽曼时空中静止的物体。此时，dr=dθ=dΦ=0，我们可以将克尔-纽曼解写成以下形式：

当物体处于无限红移面之外，即或时，我们可以得到，它的时空间隔是类时的，因此在物理上是允许的。当物体处于能层之内，即或时，得到，时空间隔是类空的，物体需要以超光速运动。这显然违背了相对论，因此物体是不能在能层中静止的。同理，在无限红移面也是不能静止的。

事实上，物体在无限红移面和能层中会被迫转动，而这种转动是旋转黑洞的引力场所拖动的。因为无限红移面是时空中物体可静止和不可静止的一个边界，所有它也被叫作静界。

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编辑：了之