书城自然科学(探究式科普丛书)无法摆脱的境遇:黑洞
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第5章 性格迥然相反——白洞学习篇

第一节白洞概述

根据万事万物都有对立面,宇宙物质是相辅相成的哲学原理,既然宇宙中存在着黑洞,那么肯定还存在着另一种物质与其相对应,而这种物质究竟是什么呢?

这种物质,就是黑洞的对立面——白洞。根据爱因斯坦的广义相对论,白洞与黑洞是物理学家们所提出的假设物体。物理学界和天文学界将白洞定义为一种致密物体,其性质与黑洞完全相反。白洞并不是吸收外部物质,而是不断地向外围喷射各种星际物质与宇宙能量,是一种宇宙中的喷射源。简单来说,白洞可以说是时间呈现反转的黑洞,进入黑洞的物质,最后应该会从白洞出来,出现在另外一个宇宙。由于具有和“黑洞”完全相反的性质,所以叫做“白洞”。

它有一个封闭的边界,聚集在白洞内部的物质只可以向外运动,而不能向内部运动。因此,白洞向外部区域辐射物质和能量,而不吸收外部区域的任何物质和能量。

与黑洞完全不一样,白洞不会吸收任何物体,而是会不断释放出物质,包括基本粒子和场。白洞也有一个“视界”,不过和黑洞不一样,时空曲率在这里是负无限大。也就是说,白洞对外界的斥力达到无限大,即使是光笔直地向白洞的奇点冲去,它也会在白洞的视界上完全停止住,不可能进入白洞一步。

理论上,白洞也可以根据是否旋转,是否带有电荷分类,但是理论物理学家们认为,白洞的无限大的斥力,会迫使白洞不带有任何电荷,因为电荷很容易就被赶到了视界外。而旋转也被认为是不可能的。不过白洞只可能是一种想象中的产物。因为如果白洞不吸收任何物体,而仅仅是喷射物质,那么无论这个白洞的质量有多大,它的物质也会很快地被喷射光。

第二节白洞的起源学说

1970年,捷尔明提出白洞存在于类星体、剧烈活动的星系中的可能性。相对论和宇宙论学者,早已明白此学说的可能性,只是这与正统的宇宙观不同,较不易获得承认。某些理论认为,由于宇宙物体的激烈运动,或者星系一部分喷出的高能小物体,它们遵守着克卜勒轨道运动,这是一种高度理想化的推测,亦即一个地方有几个白洞,在星系核心互相旋转,偶然喷出满天星斗。喷出的满天星斗演化成新星系。而从星系团的照片中可观察到,一系列的星系由物质连接起来。

这显示它们是由一连串剧烈喷射形成的。照此来说,白洞可能会像阿米巴原虫一样分裂生殖,由分裂形成星系。

然而这又和目前的理论相违背。

从此看来,对于星系是如何生成的,也众说纷纭。有的天文学家认为,宇宙开始的时候便有不均匀物质的结块,其中便包含了白洞。

宇宙向最初奇点收缩,星系、星系群都同一动作,这当然和黑洞的奇点相似。宇宙的不同区域密度都不同,收缩时首先在高密度的地方,达到了黑洞的临界密度,它身边的物质从此消失在视界之外。这样,宇宙不断收缩,使之不断出现高密奇点,宇宙成为大量黑洞及周围物质的集合体。事实上,宇宙是膨胀的而非收缩的,因此它是白洞,而不是黑洞。在宇宙整体性源始的大奇点中,存在着密度高的小质点,它们随着膨胀向四面八方扩散,大白洞大量爆发生出小白洞。

星系等不均匀物体正是由它生成的。不均匀物体,之所以易和黑洞拉上关系,皆因为它是和膨胀现状相对称的宇宙中的局部收缩过程。目前宇宙中,黑洞和白洞的存在是并行不悖的,是过程的两个端点而已。白洞物质的奇点是星系的起点,黑洞奇点是物质末期坍缩的终点。只不过各过程不是同时,而是先后交错的。

第三节白洞的喷发

白洞像个喷泉,不断地像外部喷射。有关于白洞的信息,目前没有人见过。所以对白洞的喷发并不十分了解。如果白洞真的存在,在喷发中,外部观测者可以探测到不同辐射源的频谱。

辐射若是由白洞产生,辐射能愈高,蓝移愈大,所以最初可见光也都移到紫外区。银河内小白洞随时都有爆发的可能。例如短期间活动的银河内X射线,剧烈的最高能量最先到达,其后能量下降,整体按幂函数递减,在光谱中显示出来。

这和白洞理论计算是一致的。各X射线之间,光谱不尽相同,不过差异可从白洞对自己产生的电磁辐射产生畸变说明。因为白洞内产生的辐射,可能有黑体辐射(微波以下噪声)、自由-自由辐射(带电粒子间相互作用产生)、同步辐射(带电粒子在强磁中通过而产生)等不同形态。人造卫星偶然观测到的突发γ射线,可以认定是白洞喷发的物体。

第四节白洞与黑洞的关系

从哲学意义上讲,白洞与黑洞是相辅相成、对立统一的。霍金着眼于黑洞,从他的假说中人们可以看出黑洞和白洞可以相互转化。

当然这种设想是建立在黑洞、白洞是对称的基础之上;因为物质坍缩成一个中心奇点、与物质从一个中心奇点里爆发出来,本是相反相成的两个过程,所以从黑洞瞬即转化成白洞,似乎还是可能实现的。对于宇宙演化,我们把宇宙假设为从原始火球的大爆炸中诞生,接着便膨胀,胀到最大,再转变成坍缩,缩到最小;而后又发生第二次爆炸及其胀、缩过程;如此循环反复。对此模式,可否把每次爆炸的原始火球看做为一个原始白洞,而它是上一次坍缩过程的终止黑洞,从黑洞转变成白洞是一瞬间的事情。起始点和终止点,就是这白洞和黑洞的中心奇点。

根据上述情况,我们大致可以得出以下结论:

第一,黑洞是宇宙间吸引的一种极端现象和形式,它的最终结果是宇宙最后全部“大坍缩”于一点,与之相反,白洞则是宇宙间排斥的一种极端现象和形式,它的直接结果是宇宙从一点中“大爆炸”或“大膨胀”。两者缺一不可,没有黑洞的坍缩,就没有白洞的爆炸;没有白洞的爆炸,同样也没有下一次黑洞的坍缩。

第二,黑洞与白洞是通过某种“极变机制”相互转化的,由于这种相互转化的存在,使得宇宙中所有物质现象,得以产生、发展和消亡。

在这个过程中,既没有一成不变的永恒事物,也没有只出现一次就永远绝灭的东西。出现的东西会有消失的时候,消失了的东西又会再出现,如此循环不止。

第三,黑洞与白洞的相互转化,是宇宙演化的奥秘。两者的存在和转化也是万物变化的奥秘。

黑洞就像宇宙中的一个无底深渊,物质一旦不小心掉进去,就再也逃不出来。根据我们熟悉的“矛盾”的观点,科学家们大胆地猜想到:宇宙中会不会也同时存在一种只出不进的物质“泉”呢?

于是,给它取了个与黑洞相反的名字,叫“白洞”。

白洞也有一个与黑洞类似的封闭的边界,但与黑洞不同的是,白洞内部的物质和各种辐射,只能经边界向边界外部运动,而白洞外部的物质和辐射,却不能进入其内部。形象地说,白洞好像一个只付出,而不求回报的好人,向外界献出物质和能量,而不要外界回报给它任何东西。