要想了解什么是白洞,必须先弄清什么是黑洞-尊龙凯时网娱乐官网

卡洛·罗韦利
2024-06-09 11:51

【编者按】

卡洛·罗韦利,意大利理论物理学家,圈量子引力理论的开创者之一,著有畅销科普作品《七堂极简物理课》《科学的诞生》等。在《白洞》一书中,罗韦利邀请我们进入黑洞内部,我们将经过黑洞的中心,绕开恒星的残骸,来到时间与空间终结之处——白洞诞生的地方。白洞是黑洞的反演?从黑洞进去的东西会从白洞出来?跨过奇点,越过时间的尽头,会发生什么?

本文摘自《白洞》,澎湃新闻经博集天卷授权发布。

不,我们得先从黑洞说起。要想了解什么是白洞,我们必须先弄清什么是黑洞。那么,什么是黑洞?

第一个出错的是爱因斯坦。1915年,经过十年疯狂而绝望的研究,爱因斯坦发表了广义相对论的最终方程。广义相对论是他最重要的理论,如今,全世界的大学都在讲授这一理论。

仅仅几周后,他就收到一位年轻同僚卡尔·施瓦西的来信,卡尔当时还是个德国陆军中尉,几个月后他在东线战争的磨难中死去。

这封信以几句极美的话结尾:“正如您看到的那样,尽管交火声连绵不断,但战争还是善待了我,让我能够暂时远离这一切,到您的思想之地漫步。”

施瓦西漫步于爱因斯坦的思想之地,得出了爱因斯坦刚刚发表的方程的精确解。此时正是东线战事的间隙,他身边是德国和俄国年轻人的尸体,这些人被人类的愚昧所害,这种愚昧在过去和现在同样肆虐——为争夺边界而死,还有比这更愚昧的事吗?

这些方程(我的小书《七堂极简物理课》中的唯一一个公式)一度困扰着爱因斯坦。我们在爱因斯坦此前的一系列文章中都能看到它们的踪迹,每篇文章里都包含方程的不同版本,而且全都是错的。如果一个人没有勇气发表错误的东西,他就成不了爱因斯坦。

1915年,方程终于有了正确的版本。在随后的几十年里,这些方程征服了物理学家,使他们修正了关于空间和时间性质的观点,认识到在山上的时钟比在平原上的时钟走得快,宇宙在膨胀,世上存在空间波,诸如此类。我们今天用来研究宇宙的方程,或许是物理学中最美丽的方程。

接下来,我们将与这些方程建立紧密而复杂的关系。它们将成为我们的向导,就像《神曲》里的维吉尔之于但丁那样,因为这些方程以最好的方式概括了我们对空间、时间和引力的理解。它们是我们用来理解这一切的工具。它们告诉我们在黑洞边缘和黑洞内部会发生什么。它们告诉我们什么是白洞。它们为我们指明了穿越奇景的路。但是,我准备讲述的故事另有目的,我想走到这些方程不再起作用的地方,看看会发生什么。我想走到需要抛弃这些方程的地方。科学就是这样。

在故事的中途,我们不得不脱离这些方程提供的令人心安的指引,接受更甜蜜之物的诱惑。但丁在他旅程的中途也是如此:他离开了维吉尔,被更甜蜜的事物俘获。

让我们回到施瓦西。他在给爱因斯坦的信中得出的解,如今已被写入所有大学的教科书中。这个解描述了空间和时间如何在质量体(例如地球或太阳)周围发生变化。是引力的作用使空间和时间弯曲(我稍后将对此做进一步阐释)。正是这种空间和时间的弯曲导致物体向地球坠落,行星围绕太阳旋转。这就是引力背后的原理。

施瓦西研究的问题是,在地球或太阳这般质量的物体周围,物体是如何受其引力影响而运动的。三个世纪前,牛顿正是通过对这个问题的研究,为现代科学开拓了道路。爱因斯坦和施瓦西纠正了牛顿的错误,改进了牛顿关于物体如何围绕质量体运动的预测。

然而,施瓦西找到的解不仅对行星的运动做了一些微小的修正,还预言了一些全新的、非常奇怪的东西。如果质量体极其紧密,其周围就会形成一层外壳,一个球形表面。在这里,一切都会变得奇异无比:靠近每个质量体时都会变慢的时钟,在这里甚至会停下来。时间静止了,它不再流逝。空间会沿着质量体的方向延伸,仿佛一个长长的漏斗。而在这个奇异的球形表面上,空间的延伸变成了空间的撕裂,紧靠着它的点已经无限遥远。

静止的时间,撕裂的空间……这一切听起来既离奇又不着边际。爱因斯坦理所当然地得出结论:“这不合理,这种荒谬的表面在现实中不可能存在。”

事实上,经过计算,我们可以发现,要形成这样一个表面,我们就必须以极端的方式挤压一个质量体。例如,如果要在地球周围形成这样一个表面,我们就必须把整个地球挤压到一个乒乓球的大小!简直荒谬。爱因斯坦总结道:“这一切毫无意义,你不可能把质量体压缩到足以形成这种奇异外壳的程度。”

但是他错了。他对自己的方程没有足够的信心,他没有勇气相信自己理论的奇特暗示。我们现在已经知道,被压缩到这种程度的质量体是存在的。天空中存在着亿万个这样的质量体,它们就是黑洞。

天文学家已经发现了一些尺寸达到几公里的黑洞,还有像整个太阳系那么大的黑洞。理论上可能也存在小型黑洞(跟乒乓球一样大)或者极小的黑洞(像头发丝一样轻),但是到目前为止,我们还没有观测到任何小型黑洞。

天空中绝大多数可被观测到的黑洞都源自燃烧完的恒星。它们都是大型恒星,非常重,如果不是因为在燃烧,它们的重量甚至会把自身压碎。恒星燃烧自身的主要成分氢,把氢变成氦。燃烧产生的热量会产生一种压力,抵消恒星的重量,避免它被自己的重量压碎。就这样,恒星能够持续存在数十亿年。

然而,没有什么事物是永恒的。最终,氢消耗殆尽,全部变成了氦和其他无法燃烧的灰烬,此时的恒星就像一辆耗尽了汽油的汽车。恒星的温度下降,重量开始占据上风。在引力的作用下,恒星粉身碎骨。

大型恒星的引力极大,哪怕最坚硬的岩石也无法承受。没有任何东西能阻止恒星的坍缩,于是恒星沉入了它的视界。一个黑洞形成了。

《白洞》,[意]卡洛·罗韦利著,湖南科学技术出版社2024年4月。

责任编辑:方晓燕
图片编辑:张颖
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