黑洞白洞虫洞动态图 黑洞、白洞、虫洞的关系是什么?

2018-10-20 - 白洞

黑洞,白洞,虫洞这三个物理对象中,只有黑洞是完全被观测证实的。而白洞和虫洞则是在理论上研究黑洞的时候提出来的概念。其中白洞被普遍认为并不真实存在,而虫洞则被认为可能存在,但依然只处在理论研究阶段。关于他们三者之间的关系,其实还有着一些误解,下面聊一聊。

黑洞白洞虫洞动态图

黑洞:

1915年,爱因斯坦完成了他史诗级的理论发现:广义相对论。该理论认为,时空本身可以被物质弯曲。仅仅在数个月之后,正在一战前线的德国物理学家卡尔·史瓦西便发现了广义相对论的一个精确解。这个解描述了一个球对称时空(所谓球对称是指空间各个方向看上去都是一样,例如大部分星体都有近似球对称性),但这个时空呈现出一个奇怪的性质,那就是好像这个时空中存在一个特殊的半径,在这个半径之内,所有的物体,包括运动最快的光都没办法逃离出去。

黑洞白洞虫洞动态图

由于光都逃不出来,所以它看上去是黑的,因此被称为黑洞,如上图所示。而这个特殊半径所包裹的球面称为视界(严格来说,我们经常听到的“事件视界”是这个球面在时空中划下的轨迹)。而史瓦西发现的这个解从此也被称为史瓦西时空。黑洞是一个在不考虑量子力学情况下,只能有东西进却没有东西出来的物体(考虑量子力学情况下,请看文末链接)。

黑洞白洞虫洞动态图

白洞:

人们首先注意到,在黑洞的视界上,时空的性质好像变得奇异(也就是所谓的时空度规在那儿发散,不熟悉度规的话,请忽略)。但是奇异性也许是因为我们使用了不恰当的坐标系,因此人们开始通过变换坐标系来消除那些假的奇异性。

这样,人们就把史瓦西时空扩大了(物理学家们称为延拓)。最大延拓之后的时空称为克鲁斯卡尔-塞凯赖什(Kruskal–Szekeres)时空,在这个时空中,除了有一个黑洞区域,我们还发现有一个白洞区域。这个区域与黑洞恰好相反,白洞是一个只有东西出来却没有东西进去的区域,如下图所示。

由于真实的时空并不是凭空从爱因斯坦的场方程出现的,而是由实际的物理过程产生。一般来说黑洞都是由坍缩的星体形成的,如果我们考虑这个过程,那么我们就会发现,原先白洞区域就会被一个坍缩的星体替代。居于此,物理学家普遍认为,白洞并不真实存在。

虫洞:

我们还是回到之前提到的那个最大的延拓时空:克鲁斯卡尔-塞凯赖什时空(后一个名字真难念,怪不得人们只说克鲁斯卡时空)。在这个时空中,除了发现有一个白洞区域,我们还发现黑洞外面还有一个新的洞外区域, 这个洞外区域不是我们所在的洞外区域,而是一个独立的新世界!这个新世界通过一个类似隧道一样的东西与我们这个世界相连,这个隧道便称之为虫洞,如下图所示

想象我们生活在图中的二维面上(为了可视化,我们总是需要压缩一维空间),那么那个隧道的表面在我们看来像是一个“球面”(图中的一系列圆),其中有一个圆很特殊,一旦越过那个圆,光也没有办法逃离出来。所以,虽然我们的世界(上面那个)与新的世界(下面那个)通过虫洞连接在一起,但是我们也没办法从一端穿到另一端去,除非你能做到比光速还快,才能从另一端跑出来。

因此,在一边的观察者看来虫洞其实像一个黑洞,因为东西掉进去了就出不来,对另一边的观察者来说也是一样。所以我们可以说,虫洞连接了两个空间区域,也可以说虫洞连接了两个黑洞,但是不能说虫洞连接了黑洞和白洞。如果是那样的话,那么从黑洞那边跳进去,自然就从白洞出来了。星际旅行岂非爽歪歪,你想得美!

(顺便提一下,1915年的史瓦西是在一战战场上感染了当时无法治愈的天疱疮情况下,在战地医院里写下的两篇有关广义相对论的论文的。1916病重的史瓦西返回了德国,并在不久后就病逝了。时年43岁,也可谓英年早逝。我所在校区还有以他名字命名的街道)

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