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6章 宇宙高速火车——虫洞学习篇

第一节虫洞的概念

虫洞的出现,几乎可以说是和黑洞同时的。在史瓦西发现了史瓦西黑洞以后,理论物理学家们对史瓦西解进行了几乎半个世纪的探索。

虫洞的这个概念,最初产生于对史瓦西解的研究中。当物理学家们想到了白洞的时候,他们想到在黑洞与白洞之间要有虫洞连接。他们通过一个爱因斯坦的思想实验,发现时空不是平坦的,而是弯曲的。如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方,与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中,这种结构就意味着,黑洞视界内的部分,会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里会产生一个洞。这个洞在这一边宇宙叫黑洞,在那一边宇宙叫白洞。而这个弯曲的视界,就叫做史瓦西喉,它就是一种特定的虫洞。简单地说,“虫洞”是连接宇宙遥远区域间的时空细管。它可以把平行宇宙和垂直宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。它也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道,也叫“灰道”。

虫洞连接黑洞和白洞,在黑洞与白洞之间传送物质。在这里,虫洞成为一个阿尔伯特·爱因斯坦-罗森桥,物质在黑洞的奇点处,被完全瓦解为基本粒子,然后通过这个虫洞(即阿尔伯特·爱因斯坦-罗森桥)被传送到白洞,并且被辐射出去,在另一个宇宙进行重新组合。

第二节虫洞产生的原因

虫洞是黑洞和白洞的组合,那虫洞是如何产生的呢?具体地说,虫洞的自然产生机制有以下两种:其一,是黑洞的强大引力能;其二,是克尔黑洞的快速旋转,其伦斯-梯林效应,将黑洞周围的能层中的时空,撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿,成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下,可以确定它们的出口在哪里,但是现在还不可能完全完成,因为量子理论和相对论还没有完全结合。

另外,虫洞像个圆柱形磁铁,强力的类磁力线在入口处,将通过的物体分解,以波的形式在柱心管道运行,在出口处还原。通过的物体类似一个障碍,造成波的某一部分形变,然后这个形变推移到出口。

可能还涉及横波、纵波,波的反射、折射、衍射,物质的不均匀、空间的不规则,如同水中气泡般的宇宙空洞。

第三节虫洞的性质

虫洞最主要的一个性质,相对论告诉我们:虫洞中可能有高速的时空通道。但是,虫洞的第二个重要的性质,量子理论告诉我们:虫洞不可能成为一个宇宙的高速火车。虫洞的存在依赖于一种情形的能量,而这种奇异情形的能量就是负能量。只有负能量才可以维持虫洞的存在,保持虫洞与外界时空的分解面持续打开。负能量是十分不容易实现的。物体只有在以近光速运动的时候,才有负能量。

因而,只有以接近光速的速度运动才可以进入虫洞,但如果物体速度很低,离光速太大,那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。

这个也是虫洞的特殊性质之一。

第四节虫洞的作用

虫洞连接黑洞和白洞,起着在黑洞与白洞之间传送物质的作用。

虫洞不仅可以作为一个连接不同宇宙间的工具,它还可以在同一宇宙的正常时空中出现,成为一个突然出现在宇宙中的超时空管道。

这样的虫洞没有视界,它有的仅仅是一个和外界的分解面。虫洞通过这个分解面和超时空间连接,但是在这里时空曲率不是无限大。

因而我们现在可以安全地通过虫洞,到达这个世界的另一个时间点,而不被巨大的引力所摧毁。

第五节关于虫洞的几种说法

自理论物理学家提出虫洞这个概念以来,科学家们对此众说纷纭。总的来说,可以归纳为以下三点:

一是空间的隧道。世界就像一个球,你要沿球面走就远了。但如果你走的是球里的一条直径,就近了,虫洞就是球里的直径。

二是黑洞与白洞的联系。黑洞可以产生一个势阱,白洞则可以产生一个反势阱。虫洞是连接势阱与反势阱的通道。假如画出宇宙、势阱、反势阱和虫洞的图像,它就像一个克莱因瓶——瓶口是黑洞,瓶身和瓶颈的交界处是白洞,细细的瓶颈就是虫洞。

三是时间隧道,根据爱因斯坦所说的,你可以进行时间旅行,但你只能看,就像看电影,却无法改变已经发生的事情,因为时间是线行的,事件就是一个个珠子已经穿好,你无法改变珠子,也无法调动其顺序。

到现在为止,我们讨论的都是普通“完美”黑洞。细节上,我们讨论的黑洞都不旋转,也没有电荷。

如果我们考虑黑洞旋转,同时黑洞带有电荷,事情就会变得更复杂。

特别的是,你有可能跳进这样的黑洞,而撞不到奇点。结果是旋转的或带有电荷的黑洞内部,连接一个相应的白洞,你可以跳进黑洞,而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合,就叫做虫洞。

第六节黑洞、白洞、虫洞之间的关系

既然我们知道了什么是黑洞、白洞和虫洞,那么这三者之间的关系又是怎样的呢?

我们可以用一个公式,来表示这三者之间的关系:黑洞+白洞=虫洞。有的学者认为,黑洞与白洞是连在一起的,一个吸收物质,而另一个吐出物质。只不过这两个东西,可能存在于不同的宇宙中,而虫洞就是两个宇宙的通道。白洞所在的宇宙就是婴儿宇宙。黑洞和白洞,都是宇宙中的一个时空区域,都具有很大的引力,从黑洞逃逸到白洞,速度甚至超过了光速。

但是,宇宙中的物质和能量是守恒的,不能凭空产生,也不能凭空消灭。所以,科学家估计,除了黑洞,宇宙中还应该存在另外一种天体,就是白洞,物质靠近白洞时同样会被吸引,通过虫洞到达白洞,只不过在接近白洞时,速度会不断增大,最后超过了光速以致被抛出白洞,所以物质只能被白洞释放而不能被其吸收。而超新星爆炸,极有可能就是白洞抛射物质的表现。

虫洞则是黑洞与白洞的连接点,它也可能连接两个不同宇宙。

穿过它,物质可以到达另外一个时空或宇宙,但该物质必须是以牺牲自己为代价,因为落入黑洞的物体,当经过奇点时,由于头尾的引力差,会使其粉身碎骨,而且无法控制下一个白洞要到达的目标,有可能你想到火星,而结果却到了天王星。虫洞甚至还是极不稳定的,任何一个靠近它的物体,都可能影响到它的存在,以致让它突然消失。

这一切都只是科学假想还未证实,但值得相信的是,天鹅X-1已被证实是一颗黑洞。