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人類在宇宙中哪裡可以找到「白洞」?
白洞是黑洞的對立面:一種可視的奇異現象!愛因斯坦的引力場方程對時間是對稱的(時間反轉不變性),即場方程的解做一次時間反轉變換後的結果仍然是一個解!一個不自旋的白洞對應著一個施瓦西黑洞的愛丁頓-芬克斯坦解。
圖解:事件視界望遠鏡(EHT)在2017年4月10日拍攝到的位於M87星系中心的超大質量黑洞,圖源:wiki
在數學上黑洞的解做一次時間變換,得到白洞的解,並且得到如下結論:物質和輻射將會源源不斷地從這個時空中流出!當然這些物質天文學家們之前還沒有觀測到。這些本來可見的直接展示在我們眼前的奇異現象,受到羅傑· 彭羅斯的宇宙審查假說的約束,根據他的理論,這些現象被隱藏在事件視界之後(不能夠發射出來)。如果不是這樣的話,因果違背現象就會出現。
圖解:蟲洞的構想示意圖,圖源:Tecent
廣義相對論允許時空之間通過某種方式「粘連」在一起,因為宇宙的結構並不是由引力場方程而決定的。於是,我們或許可以構造一個把黑洞和白洞連接在一起的結構。理論工作者們將這種結構稱為愛因斯坦-羅森橋或者蟲洞。蟲洞會在黑洞的一端將物質和輻射「吞下」,這些貨物通過一個狹長的時空通道,在白洞的一端被排出。這種很有新意的結構可以在平面時空甚至是宇宙間飾演時空通道的角色。理論指出,這種橋型結構存在於兩個點狀物之間,即中心奇點。
到目前為止,觀測到的宇宙現象還沒有一個能夠表明宇宙中可能存在白洞。
哪裡都不存在白洞。
白洞目前只是假定的數學上的構想,廣義相對論中黑洞解的時間變換而已。
白洞的本質經常被誤解。不,白洞不含有負質量以及排斥引力。甚至白洞比這些還神奇。他們是宇宙中真正的時光機器,他們的未來決定了他們的過去。
下面讓我來解釋一下這一點。現在想像一個黑洞,假定一個粒子的初始位置和初速度是確定的,它現在的狀態完全符合天體動力學的物理規律,不過這個微觀粒子是從事件視界的地方入射。我們可以得到結論:這種情況是不可能存在的,因為沒有一個過去的運動軌跡能夠符合我上面確定的位置和速度。白洞也是一樣的道理,只是時間變換了:這樣位置和速度都不可能找得到,因為粒子入射時這樣的位置和速度他們會引發不可能出現的未來。
你八成會說這樣不符合邏輯,或者至少與我們理解的因果關係相悖。但是白洞事實上就是這樣。他們在演算上就是黑洞的時間反轉變換,他們的未來因,他們的過去是果。
圖解:愛因斯坦的引力場方程 圖源:bilibili
從數學的角度來講,白洞符合廣義相對論,是一個有效的解。在這裡沒有什麼奇怪的,因為廣義相對論本身就是具有時間反轉對稱性的。只是白洞和我們對熱力學和因果關係的理解不相一致。這一點可以得到一個近乎確定的結論,那就是白洞並不存在於我們的宇宙中。
然而,儘管在某種意義上來說,白洞是廣義相對論方程在在數學上和理論上一個可能的解,但是他們僅存在於早期理論的完美對稱的情況下,因為完美的對稱性使得數學上的計算比考慮實際情況的條件下要大大簡化。儘管這樣,白洞的提出對人們還是有一定的誤導性的。
大體上來說,詳細簡化過的原始理論將黑洞的幾何形狀描述為一個連接著一個點 (即「奇點」)的圓錐狀入口,它的對面也有一個一模一樣的圓錐形入口,這中間的奇點可能會使圓錐的頂點變寬,使得在兩個圓錐體之間形成一個穿過奇點的通道,這個通道被稱為「蟲洞」,在蟲洞的另一端的出口,就可能存在著我們稱為「白洞」的東西。但是實際上,我們所說的白洞,即使它存在,它也不會是一個出口,它僅僅也是一個入口,穿過奇點的任何物質都不會逃逸,它只會反覆從一端到另一端往復運動。所以「白洞」和「蟲洞」事實上在理論上也不存在,後來的科幻小說家們在他們的作品中提到了這兩個概念並加以創作,才使得蟲洞和白洞如此流行,但這並不會改變宇宙中並不存在這兩樣東西的事實。
那麼為什麼上面所說的,蟲洞和白洞會不存在呢?因為一旦考慮一些現實世界的物理規律,我們經過詳細簡化的數學理論就不再成立,一個真正黑洞的樣貌就會與我們上面描述的截然不同,所以只有一個入口,只有一個結局——任何物質一旦進入黑洞的邊界,也即事件視界,會迅速被奇點吸引並且成為奇點的一部分,這些物質處於一種自然界中不存在的狀態之中(比如喬治·伽莫夫的「伊倫」態),永遠也不會離開奇點前往別的地方了。
因此,我想把託特先生回答中「或許不會存在」修正為「絕對不存在」,「白洞」和「蟲洞」只是人們對過於簡化的實際上並不正確的理論產生的一次比較大的誤會。
參考資料
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3. 餓了-quora
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