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比黑洞更诡异的天体,从那里可以通往另一个宇宙?
发布日期:2018-11-20    点击次数:612

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   潜藏在爱因斯坦广义相对论公式下的是一个比黑洞更神秘的物体,事实上它是黑洞的镜像,白洞!有些人甚至认为它是我们宇宙的起源。

   黑洞的天体物理现象已经在数个世纪中俘获了科学家可科学家们的芳心,当这一想法首次在爱因斯坦广义相对论中出现时,物理学家们还在犹豫是否接受这一对时空中不可逃脱区域的数学描述,从那时起,天文学家逐渐证明了黑洞的真实存在,类星体,X射线双星等都是可信的证据,甚至我们银河系中心也隐藏着这些庞然大物的身影。

   然而语言黑洞存在的数学理论同样描述了另一些更奇怪的实体,但它们与现实的关系还不清楚,白洞就是其中之一。单从字面意思上讲,白洞与黑洞正好相反,实际上它是一个时间颠倒的黑洞。

   黑洞的定义是一片向内流动的时空区域,它有一个称为事件视界的单向边界,边界内没有任何物体可以逃逸出来,所以白洞应该定义成一片向外流动的时空区域,它同样有其事件视界,但这一边界阻止进入,而不是逃出,在白洞之外没有任何物体可以进入,其内的所有物体都将被发射出去。

比黑洞更诡异的天体,从那里可以通往另一个宇宙?

黑洞之所以黑是因为连光都不能发射出去,而对于白洞,光只能射出,所以白洞应该处于疯狂辐射的状态,用白来形容已经算轻描淡写了。白洞可能只存在于数学幻想中,但却是是个吸引人的设想,并且这一想法可能帮助我们了解宇宙的起源。

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白洞首次出现于对黑洞最早期的数学描述,在爱因斯坦发表广义相对论仅仅几个月后,卡尔-史瓦西就求得了一种特殊情况下方程的解,即虚无空间中质量奇点的情况,得到的史瓦西度规实际上描述的是可能的最简单的黑洞,一个没有自旋,没有电荷或者说不会改变的黑洞,即不增长或收缩的永恒黑洞,它将永远存在。

黑洞内的时间不再是外界宇宙过去或未来历史的一部分,从外部观测者看来,事件视界上发生的任何事,包括坠入黑洞都发生在无限远的未来。一旦进入黑洞,由史瓦西度规可知空间与时间互换,奇点不再是黑洞中心的一个位置,而是一个不可避免的未来时间点。

普通的黑洞形成于大质量恒星内核的重力塌陷,塌陷之后,未来的奇点也随之产生。

但那种理想化永恒黑洞的过去是怎样的?如果根据史瓦西度规向前追溯,一些奇怪的事情出现了,我们会发现过去无穷远处也隐藏着一个奇点。从外界宇宙的视角来看,这个永恒黑洞的奇点既存在于无穷远的未来也存在于无穷远的过去。

这听起来很奇怪,但还有更奇怪的。

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要完全理解这种永恒黑洞的情况,需要先了解彭罗斯图。在彭罗斯图中,X和Y轴经过了调整使得空间和时间与新坐标完美融合,时间经过压缩后使得等时间线弯向上下两个角,上下边界线则对应无穷远的未来和过去。同样的,等空间线也是弯曲的,这样可以保证光线始终以45度角运行。

我们现在位于图的中心这里,如果在左边很远处放一个永恒黑洞,那么未来左边边界就表示的是黑洞的事件视界。任何向左的运动都使你更靠近黑洞。事件视界自身则是一条45度直线。

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在这个怪异的彭罗斯图中这条直线上的点与黑洞中心的距离相同,在这条45度线上运动的光需要无限的时间逃逸出事件视界。而直线另一边的区域表示黑洞的内部,其中空间与时间的维度互换,之前垂直方向的空间等值现在的时间,不可逆转地流向未来奇点。

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这两个区域,外界宇宙及黑洞内部都只是用彭罗斯坐标对史瓦西度规作图而得,但这张图并不是完整的。

别忘了这个是个永恒黑洞,当然也会存在于过去,向过去作图,于是我们得到了一个与未来黑洞事件相反的版本,一切对它来说都是时间反转的,奇点成了一个过去的事件,空间也是类时的,但并不是流向奇点,而是流出,而事件视界成为了进入的屏幕,不再是脱离。

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通过彭罗斯图我们能弄清楚这一区域的一些奇怪特性。设想我们的过去有一个物体正以光速运动,试图抵达过去事件视界,除非超过光速,否则它不可能进入。虽然它会抵达一个事件视界,但那只是未来事件视界,在那里它将一头坠入黑洞。

如果以上都是在远离事件视界的我们的视角下看到的,那我们永远无法看到任何物体穿过事件视界,因为所有穿越事件视界时发出的光线都只会在无穷远的未来到达我们,即使坠入发生于很久的过去也一样。

所以永恒黑洞过去的区域在事件视界,是一个阻止进入的屏障,而且区域内的光线向上方运动,这说明它们必然会离开该区域进入外界宇宙,即任何爱过往永恒黑洞内部的物体都会被发射出去。

目前为止,这一区域与白洞的描述完美匹配,严格意义上说,永恒黑洞的过去就是白洞。然而,两点原因使得我们不可能观测到它们。一,从过去白洞中发射出的光线永远无法到达我们,过往奇点以及过往事件视界在我们的视角下在过去无穷远,光需要无限的时间才能到达我们的位置。二,根本不存在所谓的永恒黑洞,宇宙无法永远存在,在它诞生之初也没有黑洞存在。

虽然这类白洞不能被观测,一些物理学家对其描述依然十分痴迷,对白洞的描述在数学上是对史瓦西度规的完美运用,它也遵循广义相对论,白洞其实就是一个黑洞沿时间倒放,而单看广义相对论是时间逆向对称的,能沿时间正向发生的事应该也能逆向发生。

那么白洞是否还能产生?

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理论上是可以的。但要产生白洞需要逆转熵变。所以只在广义相对论中是可能得到白洞的,但宇宙还有其他物理定律需要遵循,比如热力学第二定律,它要求作为无序度量的熵始终增加,这一定律也定义着时间的流向。要逆转时间,就需要打破这一定律,需要使熵减少。

严格来说,这是可能的,因为熵是一种统计的现象,局部的熵减确实会发生,只要总体平均上熵是增加的,一次极其罕见的熵减将可能导致时间的有效逆转,白洞也可能形成。

然而,只要熵和时间恢复其正向流动,它将立刻爆炸为能量。熵的随机减少会导致一种十分类似白洞的东西,有推测认为宇宙大爆炸正是来自这种基本不可能的熵减过程,而一旦发生,宇宙大爆炸至少在数学上看起来更像白洞,它也是包含巨量能量的一种时空向外扩张,爆炸本身也是无法进入的,毕竟那发生于遥远的过去。

大爆炸与白洞的区别在于前者不含奇点,它同时发生于各处。虽然这样,物理学家们并没有放弃白洞理论。有人提出,当一个黑洞产生时,一个白洞也会在“另一边”产生,能量从黑洞进入,从白洞释放。

比黑洞更诡异的天体,从那里可以通往另一个宇宙?

物理学家李-斯莫林曾提出其导致的白洞是另一个新宇宙的大爆炸,事实上我们的宇宙也是这样诞生的。黑洞的另一边看起来像是另一个相同的宇宙,可以通过爱因斯坦-罗森桥到达,称为“虫洞”!


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