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宇宙不可能保持在一个固定时间上～样。最后，虚线D 是经过史瓦西喉从外部宇宙的一片到另一片的路径，避开了中心奇点，但这是不可能做到的，因为需要超光速运动．史瓦西喉仍被奇点阻塞。因为要碰上它就必须使时间倒流）。
除了奇点的性质外，还能由彭罗斯图很容易地看到黑洞内部时空的基本特征，这当然已经是熟知的了：视界以外和以内区域都有的双片结构，黑洞内时间和空间方向的互换并使得保持在一个固定位置上成为不可能，以及通过史瓦西喉由一个外部时空进入另一个的不可能性。
狭长的通道
彭罗斯图真正显示威力是在它运用于转动黑洞所造就的克尔时空时，所得到的图比静止黑洞的要复杂得多（图50）。它由向过去和将来都无限重复的方块组成。黑洞有无数个外部宇宙和无数个内部宇宙！
外部宇宙以零无限和视界为边界。每个内宇宙都有一个奇点并被分成几个区域。转动黑洞有一个包围着中心奇点的内视界。每越过一个视界，时间和空间就互换方向，在从外部宇宙到奇点的途中会出现两次换向，于是，在内视界以内时间和空间的方向与黑洞外面正好一样。
这就是为什么奇点是垂直线而非水平线的缘故。事实上它甚至已不再是时空边界，在奇点的另一侧还有一个区域。只要记得现在的奇点已不再是静止黑洞里那个r—0处的中心点，而是一个躺在赤道面上的圆环，那么它另一侧的区域是容易理解的（见图对）。这个环并不规定时空几何的边界，宇航员可以穿过它。转动黑洞的奇异环因而不具有静止黑洞奇点的那种不宽容性。它并不是类空的而是类时的奇性（即与时间轴平行），因此对黑洞探索者来说它并不表示时间的终结（除非他们笨到完全贴着赤道面航行）。除非是由于潮汐力的危险，否则探索者可以来到与奇异环间不容发之处，只要不碰上它就行，他甚至能亲眼看看究竟光信号能否从环上发出来。
至于奇点的另一侧，那是一个空间上无限的时空区域，其中的距离是“负”的。这种表面上的荒谬被解释为引力吸引性的反转，引力变成斥力，迫使物质由奇点无限地远离。
转动黑洞的丰富结构为许多种极诱人的探索提供了可能性。图50中的路线A显示了探索奇点另一侧的反引力宇宙的可能性。路线B和C表明，穿透黑洞内部、飞越苛点，并出现于别的外部宇宙，这在理论上是可能的，当然以很大的黑洞为宜，因为只有这样飞船才不至于被潮汐力摧毁。但是，路线D是不允许的，因为它越出了光锥，所以，即使是在这个图上，仍然有一部分时空是被严格禁止去探索的。
时间机器
只凭常识，无论如何尝试，，急难免不时感到惊讶。科学的目的正是要从这种惊讶中拯救常识。
——日特兰·罗素（Bertraod RUS8em
彭罗斯图的确使我们内心感到疑虑重红一个宇宙可以分成许多片，因而就有许多个外部宇宙，这真是令人费解，尽管按照广义相对论是完全可以接受的。转动黑洞把无数个虫洞接在时空见何的不同部分上。由于两个事件既可以在时间上也可以在空间上相区分，因而至少原则上就可能做到，在一个给定时刻从～个给定位置通过一个仔细选择的虫洞而到达同一个位置，但却是在过去或将来的一个不同时刻。也就是说，黑洞可以作为一种跨越时间的机器。
科学史已经多次证明，今天看来是荒谬的东西，明天可能成为普遍接受的事实。然而，时间倒退的旅行简直是对常识的侮辱，怎能想象一个人可以倒退到从前，把自己的祖父在还没有孩子时就给杀掉呢？假若是这样，这个凶手自己就不会被生出来，那当然就谈不上去杀祖父，那么祖父就又可以有后代，而他的后代又可以去杀他，如此等等。这个时间怪论是由一位法国作家雷纳·巴雅瓦（Rene Barjavel）在题为《轻率的旅行》的小说里讲述的。
返回过去的旅行违反了要求原因总是在效果之前的因果律（见“光使时空联姻”一节），但是，因果律是一条由逻辑，而不是由相对论制定的规则，它在狭义相对论里无可置疑，而那里没有引力。现在，以超光速运动退回过去也同样绝对不允许。但是在广义相对论里，宇宙被引力所弯曲，时空几何被变形＜例如，由于～个转动黑洞），因而使得不必作超光速运动就能去探索过去。
如果回到过去是可能的，常识不就全崩溃了吗？并非如此。如果我们把因果律代之以目洽律，即规定一个物理系统的演化必须自相一致，那么回到过去也是允许的。巴雅瓦所描述的情况（人杀死祖先）显然是不自洽的。但是喜爱难题的理论家们竟然想出了那么复杂的反因果情景，使得常识大力困惑。
为解脱困境，我们能否论证由黑洞导致的潜在性反因果扭曲只是一种数学假象，当一颗转动恒星坍编成黑洞时实际并不发生呢？在球对称情况可以一步步地跟踪收缩恒星外部和内部几何的演化，并由一张克鲁斯卡图或一组镶嵌图看到白洞和反宇宙这些令人为难的现象被自然地排除。不幸的是，在非球对称情况我们并不知道怎样严格地描绘转动恒星的外部或内部时空见何。几何会不断地被引力波扰动，只有当黑洞已经形成时克尔几何才得以建立。最近的计算已经证明，任何进入转动黑洞的物质或辐射，其能量会被引力场大为增强，以至于其目引力将改变时空并阻塞虫洞。理论家们已经向自己提问，在什么条件下～个宏观的虫洞（例如与～个巨黑洞相联系的，于是潮汐力就不会太强）能够不受物质进入（例如一艘飞船）的影响而保持开放？我记得，在1976年即我开始研究广义相对论的那一年，一个很严肃的基金会（培根基金会）曾悬赏300英镑来征求下述问题的解：“按照目前的理论，转动黑洞是通往其他时空区域的真实人口，那么一个飞行器怎样才能通过一个转动黑洞进入另一个时空区域，而不被奇点的引力场摧毁？”作为这个领域的一名新手，我显然没有能力去赢得这笔奖金，甚至不能去尝试。我不知道是否有任何人得了这个奖，但可以肯定的是这个问题直到1985年还没有解决，不过换成了一种更奇异的表述方式：看来只有那些由能产生巨大“负压力”的物质交织成的虫洞才是稳定的。负压力是一种张力，就像被拉伸的弹簧中的力。在通常物质中张力总是远小于能量（例如，钢的断裂张力比它每单位体积内包含的能量小1
亿倍），而在赖以使虫洞稳定的物质中，这个比率要颠倒过来。所有这些显然是高度思辨性的，没有人对这种“负”物质能否在自然界存在有丝毫的主意。为着有效地利用这些时空捷径，我们也许不得不这样来建造“负”虫洞，就是让一个微型负虫洞增长。就算这个异想天开的主意能行，我们仍然不知道一只用正常物质制造的飞船能否安全地通过这个负能量区域。这种似理论又似艺术的含糊可能性使一位著名的美国天文学家兼作家卡尔·萨甘（CarlSagan）得以构思出他的小说《接触人其中与地外文明的联系正是借助于虫洞。尽管那故事很有刺激性，却纯粹是虚构，恐怕也永远只是虚构。
引力奇点
对因果律的可能违反并不真正危及黑洞理论，但却提出了奇点的本质和时空“精细”结构的问题，这里我们到达了当代物理学的前沿。
首先可以提问，那无限地毁灭物质和时空几何的奇点的出现，会不会只是过于幼稚地应用广义相对论于引力坍缩问题的结果。奇点还在更广阔的背景中出现于宇宙学，这是天体物理的一个从整体上来研究宇宙演化的分支。按照大爆炸理论，宇宙在大约150亿年前诞生于一个奇点。这个理论受到宇宙膨胀和宇宙微波辐射等观测事实的有力支持，后者是宇宙爆炸的冷却残余。但在宇宙学里也和别处一样，用以描述宇宙的过去和现在状态的模型是高度理想化的，因而似乎就有理由怀疑宇宙奇点会不会也只是数学简化所带来的一个不必要的附产品。
但研究表明并非如此。两位英国学者，剑桥大学的史蒂芬·霍金（StCPhenHawking）和发明保角图的罗杰·彭罗斯，在60年代证明，奇点是广义相对论的一个必不可少的组成部分。一个真实恒星的引力坍缩是否一定导致视界和黑洞的形成，对此尚不明确；但是坍缩的结局是不可避免地成为奇点，却是确定无疑。霍金和彭罗斯还确认，如果反推到宇宙的过去，所有能确实与现在的观测结果符合的宇宙模型都必须由奇点开始。如果宇宙包含有足够的物质，它甚至还会再终结于一个奇点，因为膨胀状态终将会被一个对称的收缩态取代。那时将是全宇宙在坍缩。
这些非常重要的定理推广了牛顿引力理论已经知道的结果：一团由尘埃粒子组成的云会由于粒子的相互吸引而收缩成无限大密度的奇点。于是，奇点已成为引力的吸弓胜和“自加速”性的不可避免的结果。我们怎样去勇敢地对付它呢？
宇宙监督
自然界喜欢隐藏自己。
——拉克里特（Heracli山s）（公元前500年）
恒星引力坍缩成奇点以两种方式之一进行，取决于黑洞形成与否。如果黑洞形成，则视界将掩盖其内部的一切，包括物质被最后塞入奇点。这种情况发生于球对称坍缩，对于生活在外部宇宙的物理学家来说，奇点是否形成也无关紧要。由于黑洞内部不可能与外部联络，在奇点附近自然定律和常识可能都被推翻，但外界的物理学家对此一无所知。
第二种可能性是，奇点形成，没有黑洞来掩盖。比如说，设想一个快速转动的大质量恒星在坍缩时保留的角动量超过了临界值，由于离心力，稳定的黑洞视界不可能形成，奇点成为裸露，粒子或电磁信号可以从它那里逃出，并在远处被观测到。由于奇点所具有的无限性，它对时空见何的影响完全不可预测。没有视界的保护，物理学家就得失业，因为今天做的所有计算和预言，明天就会由于探奇点的捣乱而变得一无是处。
显然，宇宙中从来没有观测到探奇点，但这并不能证明它们不存在。为了脱离这个困境，罗杰·彭罗斯提出了一个假设：自然界禁止探奇点存在。按照这个假设，引力坍缩总是使奇点被包在视界里面，这就是所谓宇宙监督。
宇宙监督的思想很能使人消除忧虑，但是从来没有在广义相对论里被严格证明。对于与球对称相差不大的情况，这个假设是成立的，但对更极端的情况问题仍然悬而未决。更令人困惑不解的是，被认为是我们宇宙在150亿年前以之诞生的宇宙奇点，并没有隐藏在一个视界之后。
量子引力
假如上帝在创造世界之前问问我，我会建议他搞得简单些。
——阿尔玛索十世（AIPhonse）（13世纪）
即使宇宙监督假设能被严格证明，它仍然不能解决引力“反常”的问题。奇异环，虽然隐藏在转动黑洞里，却允许物体穿过虫洞，因而意味着因果律被破坏。
所以，真正的问题并不是要知道探奇点是否有所冒犯，而是它们在真实世界中究竟是否存在。为作出回答，必须追溯到问题的根源——广义相对论。一个给出含有无限大物理量的结构的理论怎么能够是正确的呢？
科学常常产生出有奇异性的理论，而随着理论的改进，奇异性又得以被消除。一个很好的例子是原子的早期模型，它把原子看作一个由电力控制的微型太阳系。按照本世纪初由恩斯特·卢瑟福（Emest Rutherford）建立的理论，围绕原子核运转的电子必然会很快地损失能量并掉到核上，但是我们的经验表明原子是稳定的，卢瑟福原子的反常行为只能说明理论是不完善的。量子物理的发展解决了这个难题，在这个新理论里电子的能级是量子化的，于是模型原子被稳定，奇异性被除去。
与广义相对论作一下类比是很有启发性的。霍金和彭罗斯所证明的引力奇异性的发生，可能表明理论被运用到了其适用范围之外，鼻子物理能对此也作出补救吗？
答案的第一部分显由对霍金和彭罗斯理论的更严格的检查所得到的。他们的结论依赖于一个看来是合理的假设，即物质具有正能量。这个条件对所有已知的物质形式显然是成立的，包括中子星这样的虽然不能在实验室仿制，但却可以由我们对核物质的知识来外推的极端形式。但是，即使所有的“经典”物质都有正能量，量子物质却未必如此。最近的计算已经显示，基本粒子物理的某些现象违反了正能条件（例如按照量子力学所可能发生的真空中粒子的自发生成，见第14章）。
这正是问题的关键。虽然广义相对论是迄今最好的引力理论，它显然仍是不完善的，因为它没有考虑支配微观世界演化的量子力学原理，而奇点现象恰恰涉及很小尺度的时空结构。一个经典理论运用于量子领域而出现恼人的奇异性，也就不足为怪了。
但是量子力学与广义相对论之间的关系似乎又很疏远。前者支配着基本粒子的领域，粒子在核力作用下在很小的范围内运动，其主要特点是对现象作出“模糊”的描述，即只能计算事件发生的几率。电磁力则支配着包括人类自身在内的过渡区域。在有些现象里（激光、晶体管等等）量子力学起着决定性的作用，而在别的现象里（无线电波的传播等等）其作用可以忽略。最后，在天文尺度上，量子效应完全不见，而由广义相对论描述的“经典”引力接管了一切。
但是，用谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow，1979年诺贝尔物理学奖获得者）的话来说，很有可能“蛇在吃自己的尾”。有的物理学家相信，在小于10ry3厘米的尺度，引力是起支配作用的力。这个极小的长度是一个世纪前由马克斯·普朗克在另一个意义上引入的，它由把自然界的基本常数（引力常数、光速和普朗克常数）作出机智的组合而得到，而与基本粒子的性质无关。它表示这样一个最小尺度，在它之上的时空见何可以被看作是平滑的，在它之下时空组织本身不再是连续的，而是像能量和物质一样，也由小颗粒组成。按照约翰·惠勒的说法，“广义相对论与量子力学之间的热烈婚礼”将在这里完成，而产儿显然将被取名为量子引力。
注意这里用的是将来时，因为量子引力与其说是一个理论，不如说还只是一个想法。爱因斯坦在他一生的后40年中试图统一广义相对论和量子力学，却劳而无功。今天，数以百计的理论家仍在致力于这项艰难的工作，除了令人沮丧的数学困难之外，更糟的是没有任何具体实验资料。无论是在距离上还是在能量上，这个研究领域都与实验室相去太远。现在可能做到的是，使用大型的粒子加速器来探测与质子这样的基本粒子半径相当的距离，即10’3厘米量级（用粒子加速器能得到的最高能量使我们能探测到10－‘6厘米尺度的物质性质），但是这与量子时空之间仍然如隔天堑：质子半径与普朗克长度之比，大约等于银河系半径与人的身高之比。
对当代物理学来说幸运的是，不管条件如何不利，新思想却层出不穷。约翰·惠勒提出，由于量子涨落的搅动，微观时空几何是湍动的和不断改变的。这可以用海面来作比拟（图利）。从飞机上看去，海面显得很平整；降低高度再看，海面仍是连续的，但是有起伏；再靠近去，它就变得汹涌翻腾，甚至成了不连续的，因为当波浪碎开时，可以看到抛散在空中的水滴。同样的道理，虽然时空结构在我们所处的高度看去是连续的，但在普朗克长度的尺度上它的“泡沫”就会显而易见，并且能够产生出“水滴”，也就是那些基本粒子。
阐发这个思想的最新尝试是求助于所谓“超空间”，其中的维数多于四（“超空间”的维度甚至可以不是整数，而是“分数型”的）。在日常生活中只有三个空间维度和一个时间维度是可觉察的，但是真实的宇宙可能还有以普朗克长度为特征长度的附加维度来完善自己。可以用一根长的软管子来作个简单比方。它有两个维度，一个是沿其长度方向，只是稍有弯曲；另一个是在其横截的圆周方向，尺度小得多，而弯曲程度却大得多。从远处看去，这根管子就会显得像一条线，只有一个维度，并且没有弯曲。
这些设想是很有趣的，但是还没有任何恰当的方案形成。由于没有任何实验检验，物理学家只能依据理论需求行事，需求之一正是消除引力奇点。奇点将被代之以时空几何的鼻子涨落，这种涨落将不导致无限大的物理量，但将具有阻塞转动黑洞的虫洞的效能。这就是维护因果律的代价。
可以肯定的是，黑洞对量子引力的发展起着关键作用。最近已有研究者提出一个模型，说是微观虫洞（其尺度是原子核的10“‘倍）能通过对量子时空力学的贡献来帮助确定自然界所有基本常数的值。两个世纪前在一片冷漠中诞生，现在才长成的黑洞，其生涯刚刚开始。后两章将更详细地说明，黑洞如何揭示出两个看似完全分离的物理领域之间的深刻联系。第十三章 黑洞机器
热力学
物理学家总是试图理解为什么宇宙是有序的而不是混乱的。从遥远的星系到生物的细胞，宇宙已经形成了所有尺度上的复杂结构。这些有组织的系统是如此复杂多样，像人体和恒星这样的两种系统又是如此不同，以至于任何认识支配系统结构的普遍原理的企图似乎都太不自量力。然而，这种企图却由热力学来部分地实现了。
这门学科开始于19世纪。其初始目的很平凡，工程师和工业公司想要控制热交换和机械能量，以提高蒸气机的效率。从这个小小的开端却发展出了能运用于绝大多数物理系统演化的深刻而普遍的观念（热力学对生命世界的严格应用会出现困难）。
热力学的优越性在于，它建立了不依赖于系统结构细节的普遍定律。例如，它能使我们认识物质的�