數學是一種精致而完美的語言,它可以用於描述相對論是如何適用於物理宇宙和整個時空的,而這種描述包括了在黑洞附近所發生的奇怪行為。雖然數學的描述強大而準確,但對於那些沒有經過適當的專業培訓的人來說,也可能是一門令人生畏的外語。描述性的言辭無論多麽雄辯,都缺乏數學方程式的嚴謹和強大,並且是不精確且局限的。然而圖像(據說是)勝過千言萬語,它不僅是一種有效的折中方案,也是一種非常有用的將發生的事情可視化的方法。因此花一些精力來理解這種被稱為時空圖的圖畫是非常值得的,這將有助理解黑洞周圍時空的性質。
時空圖
圖3展示了一個簡單的時空圖。依照傳統,“類時”軸是在頁麵中垂直的那一根,而“類空”軸則被畫成垂直相交於它。當然,我們實際需要四根軸來描述時空,因為有三根類空的軸(通常表示為x、y和z)和一個類時的軸。不過兩根軸就足以實現我們的意圖了(而且四根相互垂直的軸也畫不出來)。這兩根軸相交的地方被稱為原點,可以被視為構造其時空圖的觀察者“此時此刻”所在的點。一個理想化的瞬時事件,例如按下相機快門,發生在特定的時刻和特定的空間位置。這樣的一個瞬時事件由時空圖上的一個點表示,對應於所討論的時間和空間位置。圖3中有兩個點,它們在空間上是分開的(它們不發生在空間軸上的同一點),但它們又是同時的(它們在時間軸上具有相同的坐標)。你可以想象這兩個點對應於兩個間隔一段距離的攝影師同時按下快門,拍攝同一個的景象。如果點代表事件,那麽時空圖中的線代表什麽?一條線隻是顯示出一個物體在時空中通過的路徑。當我們過著我們的生活時,我們穿越時空,並在身後留下路徑(有點像蝸牛在它後麵留下一條閃閃發光的黏液痕跡),它是時空中的一條線,有一個專業術語叫世界線。如果你整天待在家裏,你的世界線就是一個通過時空的垂直路徑(例如,空間坐標=“金合歡大道22號”)。你在時間上向前,但是在空間中不動。另一方麵,如果你進行了一次漫長的旅行,你的世界線會因為你的距離隨著時間改變而傾斜,因為你在空間和時間上都進行了移動。