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比黑洞更詭異的天體,從那裡可以通往另一個宇宙?


宇宙探索潛藏在愛因斯坦廣義相對論公式下的是一個比黑洞更神秘的物體,事實上它是黑洞的鏡像,白洞!有些人甚至認為它是我們宇宙的起源。黑洞的天體物理現象已經在數個世紀中俘獲了科學家可科學家們的芳心,當這一想法首次在愛因斯坦廣義相對論中出現時,物理學家們還在猶豫是否接...

- 2017年12月24日19時53分
- 科學文摘 / 宇宙探索

宇宙探索

潛藏在愛因斯坦廣義相對論公式下的是一個比黑洞更神秘的物體,事實上它是黑洞的鏡像,白洞!有些人甚至認為它是我們宇宙的起源。

黑洞的天體物理現象已經在數個世紀中俘獲了科學家可科學家們的芳心,當這一想法首次在愛因斯坦廣義相對論中出現時,物理學家們還在猶豫是否接受這一對時空中不可逃脫區域的數學描述,從那時起,天文學家逐漸證明了黑洞的真實存在,類星體,X射線雙星等都是可信的證據,甚至我們銀河系中心也隱藏著這些龐然大物的身影。

然而語言黑洞存在的數學理論同樣描述了另一些更奇怪的實體,但它們與現實的關係還不清楚,白洞就是其中之一。單從字面意思上講,白洞與黑洞正好相反,實際上它是一個時間顛倒的黑洞。

黑洞的定義是一片向內流動的時空區域,它有一個稱為事件視界的單向邊界,邊界內沒有任何物體可以逃逸出來,所以白洞應該定義成一片向外流動的時空區域,它同樣有其事件視界,但這一邊界阻止進入,而不是逃出,在白洞之外沒有任何物體可以進入,其內的所有物體都將被發射出去。

比黑洞更詭異的天體,從那裡可以通往另一個宇宙?圖片

黑洞之所以黑是因為連光都不能發射出去,而對於白洞,光只能射出,所以白洞應該處於瘋狂輻射的狀態,用白來形容已經算輕描淡寫了。白洞可能只存在於數學幻想中,但卻是是個吸引人的設想,並且這一想法可能幫助我們了解宇宙的起源。

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白洞首次出現於對黑洞最早期的數學描述,在愛因斯坦發表廣義相對論僅僅幾個月後,卡爾-史瓦西就求得了一種特殊情況下方程的解,即虛無空間中質量奇點的情況,得到的史瓦西度規實際上描述的是可能的最簡單的黑洞,一個沒有自旋,沒有電荷或者說不會改變的黑洞,即不增長或收縮的永恆黑洞,它將永遠存在。

黑洞內的時間不再是外界宇宙過去或未來歷史的一部分,從外部觀測者看來,事件視界上發生的任何事,包括墜入黑洞都發生在無限遠的未來。一旦進入黑洞,由史瓦西度規可知空間與時間互換,奇點不再是黑洞中心的一個位置,而是一個不可避免的未來時間點。

普通的黑洞形成於大質量恆星內核的重力塌陷,塌陷之後,未來的奇點也隨之產生。

但那種理想化永恆黑洞的過去是怎樣的?如果根據史瓦西度規向前追溯,一些奇怪的事情出現了,我們會發現過去無窮遠處也隱藏著一個奇點。從外界宇宙的視角來看,這個永恆黑洞的奇點既存在於無窮遠的未來也存在於無窮遠的過去。

這聽起來很奇怪,但還有更奇怪的。

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要完全理解這種永恆黑洞的情況,需要先了解彭羅斯圖。在彭羅斯圖中,X和Y軸經過了調整使得空間和時間與新坐標完美融合,時間經過壓縮後使得等時間線彎向上下兩個角,上下邊界線則對應無窮遠的未來和過去。同樣的,等空間線也是彎曲的,這樣可以保證光線始終以45度角運行。

我們現在位於圖的中心這裡,如果在左邊很遠處放一個永恆黑洞,那麼未來左邊邊界就表示的是黑洞的事件視界。任何向左的運動都使你更靠近黑洞。事件視界自身則是一條45度直線。

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在這個怪異的彭羅斯圖中這條直線上的點與黑洞中心的距離相同,在這條45度線上運動的光需要無限的時間逃逸出事件視界。而直線另一邊的區域表示黑洞的內部,其中空間與時間的維度互換,之前垂直方向的空間等值現在的時間,不可逆轉地流向未來奇點。

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這兩個區域,外界宇宙及黑洞內部都只是用彭羅斯坐標對史瓦西度規作圖而得,但這張圖並不是完整的。

別忘了這個是個永恆黑洞,當然也會存在於過去,向過去作圖,於是我們得到了一個與未來黑洞事件相反的版本,一切對它來說都是時間反轉的,奇點成了一個過去的事件,空間也是類時的,但並不是流向奇點,而是流出,而事件視界成為了進入的螢幕,不再是脫離。

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通過彭羅斯圖我們能弄清楚這一區域的一些奇怪特性。設想我們的過去有一個物體正以光速運動,試圖抵達過去事件視界,除非超過光速,否則它不可能進入。雖然它會抵達一個事件視界,但那只是未來事件視界,在那裡它將一頭墜入黑洞。

如果以上都是在遠離事件視界的我們的視角下看到的,那我們永遠無法看到任何物體穿過事件視界,因為所有穿越事件視界時發出的光線都只會在無窮遠的未來到達我們,即使墜入發生於很久的過去也一樣。

所以永恆黑洞過去的區域在事件視界,是一個阻止進入的屏障,而且區域內的光線向上方運動,這說明它們必然會離開該區域進入外界宇宙,即任何愛過往永恆黑洞內部的物體都會被發射出去。

目前為止,這一區域與白洞的描述完美匹配,嚴格意義上說,永恆黑洞的過去就是白洞。然而,兩點原因使得我們不可能觀測到它們。一,從過去白洞中發射出的光線永遠無法到達我們,過往奇點以及過往事件視界在我們的視角下在過去無窮遠,光需要無限的時間才能到達我們的位置。二,根本不存在所謂的永恆黑洞,宇宙無法永遠存在,在它誕生之初也沒有黑洞存在。

雖然這類白洞不能被觀測,一些物理學家對其描述依然十分痴迷,對白洞的描述在數學上是對史瓦西度規的完美運用,它也遵循廣義相對論,白洞其實就是一個黑洞沿時間倒放,而單看廣義相對論是時間逆向對稱的,能沿時間正向發生的事應該也能逆向發生。

那麼白洞是否還能產生?

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理論上是可以的。但要產生白洞需要逆轉熵變。所以只在廣義相對論中是可能得到白洞的,但宇宙還有其他物理定律需要遵循,比如熱力學第二定律,它要求作為無序度量的熵始終增加,這一定律也定義著時間的流向。要逆轉時間,就需要打破這一定律,需要使熵減少。

嚴格來說,這是可能的,因為熵是一種統計的現象,局部的熵減確實會發生,只要總體平均上熵是增加的,一次極其罕見的熵減將可能導致時間的有效逆轉,白洞也可能形成。

然而,只要熵和時間恢復其正向流動,它將立刻爆炸為能量。熵的隨機減少會導致一種十分類似白洞的東西,有推測認為宇宙大爆炸正是來自這種基本不可能的熵減過程,而一旦發生,宇宙大爆炸至少在數學上看起來更像白洞,它也是包含巨量能量的一種時空向外擴張,爆炸本身也是無法進入的,畢竟那發生於遙遠的過去。

大爆炸與白洞的區別在於前者不含奇點,它同時發生於各處。雖然這樣,物理學家們並沒有放棄白洞理論。有人提出,當一個黑洞產生時,一個白洞也會在「另一邊」產生,能量從黑洞進入,從白洞釋放。

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物理學家李-斯莫林曾提出其導致的白洞是另一個新宇宙的大爆炸,事實上我們的宇宙也是這樣誕生的。黑洞的另一邊看起來像是另一個相同的宇宙,可以通過愛因斯坦-羅森橋到達,稱為「蟲洞」!


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