奇妙的黑洞、白洞、蟲洞與灰洞

黑洞

黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種密度無限大體積無限小的天體。黑洞的引力很大，使得視界內的逃逸速度大於光速。1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild，1873～1916年）通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質集中於空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——「視界」一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這種「不可思議的天體」被美國物理學家約翰·阿奇巴德·惠勒（John Archibald Wheeler）命名為「黑洞」。

「黑洞是時空曲率大到光都無法從其視界逃脫的天體」。（電磁波）也逃逸不出。

黑洞無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。藉由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的「邊緣訊息」，可以獲取黑洞存在的訊息。推測出黑洞的存在也可藉由間接觀測恆星或星際雲氣團繞行軌跡取得位置以及質量。

科學家最新研究理論顯示，當黑洞死亡時可能會變成一個「白洞」，它不像黑洞吞噬鄰近所有物質，而是噴射之前黑洞捕獲的所有物質。

科學家猜測穿過黑洞可能會到達另一個空間，甚至是時空。

其實黑洞並不黑

黑洞是現代廣義相對論中，宇宙空間內存在的一種密度極大體積極小的天體。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後，發生引力坍縮產生的。黑洞的引力很大，連光都無法逃脫。其實黑洞並不「黑」，只是無法直接觀測，但可以藉由間接方式得知其存在與質量，並且觀測到它對其他事物的影響。

白洞 （特殊天體）

廣義相對論所預言的一種性質正好與黑洞相反的特殊天體。白洞目前還僅是一種理論模型，尚未被觀測所證實。按照白洞理論，白洞和黑洞相似，也有一個封閉的邊界。聚集在白洞內的物質，只可以經邊界向外運動，而不能反向運動。因此這種天體不能進入。

白洞是宇宙中的噴射源，可以向外部區域提供物質和能量，但不能吸收外部區域的任何物質和輻射，所以白洞是一個只發射、不吸收的特殊宇宙天體，與黑洞正好相反。白洞是一個強引力源，其外部引力性質均與黑洞相同，白洞可以把它周圍的物質吸積到邊界上形成物質層。白洞理論主要可用來解釋一些高能天體現象。

根據白洞理論，有人認為類星體的核心可能是一個白洞。當白洞內超密態物質向外噴射時，就會同它周圍的物質發生猛烈的碰撞，從而釋放出巨大能量。由此推斷，有些X射線、宇宙線、射電爆發、射電雙源等現象，可能與白洞的這種效應有關。白洞的力是排斥力與黑洞的吸引力相反。

由於白洞周圍具有很強的引力場，它把附近的塵埃、氣體和輻射吸引到邊界上來，產生很高的加速度，從而與從白洞內高速向外噴射的物質微粒相碰撞，產生巨大的能量輻射。X射線、宇宙射線、射電爆發及雙射電源等高能現象，都可看成是白洞與其周圍吸積物質相互作用的結果。用白洞模型解釋宇宙背景X射線和γ射線的來源，也得到了與觀測結果相近的能譜。

白洞內膨脹物質所發出的輻射具有紫移特徵，尤其在最初膨脹階段，這種紫移表現得特別明顯。對於白洞的起源，一種看法認為，白洞內的超密物質由引力塌縮形成黑洞時獲得，它們經過某種內部的矛盾運動，轉變成膨脹狀態，而又從中心奇點向外拋射出來;比較流行的看法認為，白洞來源於整個宇宙的大爆炸。當宇宙由超高密態爆炸時，由於爆炸的不均勻性，有些超密態物質在拋出後仍處於奇點狀態，它們可以等待一定的時間以後才開始膨脹和爆發，而成為新的局部膨脹核心。有些核心的爆發時間已延遲了1010年（10000000000年，合100億年）左右，它們一旦爆發就形成了今天所能觀察到的類星體或其他高能天體，故白洞又稱為「延遲核」。隨著宇宙學的發展，人們將進一步揭開它的奧秘。

它是否存在?

到目前為止，「白洞」還只是個理論名詞,科學家並未實際發現。在技術上，要發現黑洞，甚至超巨質量黑洞，都比發現白洞要容易的多。也許每一個黑洞都有一個對應的白洞！但我們並不確定是否所有的超巨質量的「洞」都是「黑」洞，也不確定白洞與黑洞是否應成對出現。但就重力的觀點來看，在遠距離觀察時兩者的特性則是相同的。

當人們有了很複雜的數學工具來分析這些相關方程式，他們發現了更多。在這個簡單的情形下時空結構必須具備時間反演對稱性，這意味著如果你讓時間倒流，所有一切都應該沒什麼兩樣。因此如果在未來某個時刻光只能進不能出，那過去一定有個時刻光只能出不能進。這看上去就像是黑洞的反轉，因此人們稱之為白洞，雖然它只是黑洞在過去的一個延伸。(更奇怪的是：在世界裡面似乎應該還有一個宇宙，雖然這裡用「裡面」可能不太確切。)時間在白洞裡面是存在的，但既然你不能進去，那你只有出生在裡面才能知道了。

但在現實中，白洞可能並不存在，因為真實的黑洞要比這個廣義相對論的簡單解所描述的要複雜得多。他們並不是在過去就一直存在，而是在某個時間恆星坍塌後所形成的。這就破壞了時間反演對稱性，因此如果你順著倒流的時光往前看，你將看不到這個解中所描述的白洞，而是看到黑洞變回坍塌中的恆星。

我們知道，由於黑洞擁有極強的引力，能將附近的任何物體一吸而盡，而且只進不出。如果，我們將黑洞當成一個「入口」，那麼，應該就有一個只出不進的「出口」，就是所謂的「白洞」。黑洞和白洞間的通路，也有個專有名詞，叫做「灰道」(即「蟲洞」別名「矽洞」)。雖然白洞尚未發現，但在科學探索上，最美的事物之一就是許多理論上存在的事物後來真的被人們發現或證實。因此，也許將來有一天，隨著科學技術的進步和人類的不斷探索，天文學家會真的發現白洞的存在呢！

與黑洞的關係　白洞與黑洞是相輔相成的，是對立統一的。沈葹在《黑洞、白洞交相襯映》一文中對黑洞與白洞的相互關係作了如下論述：「霍金著眼於黑洞，但他的假說或可給予黑洞、白洞相互轉化之設想以便宜。當然此設想主要還是出於黑洞、白洞之對稱性的思考；因為物質坍縮成一個中心奇點、與物質從一個中心奇點裡爆發出來，本是相反相成的兩個過程，所以從黑洞瞬即轉化成白洞，似乎還是可能實現的。對於宇宙演化，我們且作如下嘗試性解釋。從廣義相對論演繹得出的一種演化模式，把宇宙假設為從原始火球的大爆炸中誕生，接著便膨脹，脹到最大，再轉變成坍縮，縮到最小；爾後又發生第二次爆炸及其脹、縮過程；如此循環反覆。對此模式，可否把每次爆炸的原始火球看作為一個原始白洞，而它是上一次坍縮過程的終止黑洞瞬即轉化來的。起始點和終止點就是這白洞和黑洞的中心奇點。」這段論述包含了深刻的辯證邏輯思想。

根據上述情況，可以得出以下結論：

第一，黑洞是宇宙間吸引的一種極端現象和形式，它的直接結果是「大坍縮」，與之相反，白洞則是宇宙間排斥的一種極端現象和形式，它的直接結果是「大爆炸」或「大膨脹」。兩者缺一不可，緊密相聯，相輔相成，相互轉化，對立統一。

第二，黑洞與白洞是通過某種「極變機制」（蟲眼機制等）相互轉化的，由於這種相互轉化的存在，使得量子階梯中的所有物質現象得以產生、發展和消亡。在這個過程中，既沒有一成不變的永恆事物，也沒有隻出現一次就永遠絕滅的東西。產生了的東西會消亡，消亡了的東西又會產生，如此循環不止。

第三，黑洞與白洞的相互轉化是宇宙演化最根本、最重要的動力根源。它們兩者的存在和轉化，是「吸引和排斥這一個古老的兩極對立」的生動體現，是萬物變化最深層次的總根源。

黑洞就像宇宙中的一個無底深淵，物質一旦掉進去，就再也逃不出來。根據我們熟悉的「矛盾」的觀點，科學家們大膽地猜想到：宇宙中會不會也同時存在一種物質只出不進的「泉」呢？並給它取了個同黑洞相反的名字，叫「白洞」。

科學家們猜想：白洞也有一個與黑洞類似的封閉的邊界，但與黑洞不同的是，白洞內部的物質和各種輻射只能經邊界向邊界外部運動，而白洞外部的物質和輻射卻不能進入其內部。形象地說，白洞好像一個不斷向外噴射物質和能量的源泉，它向外界提供物質和能量，卻不吸收外部的物質和能量。

白洞到目前為止，還僅僅是科學家的猜想，還沒有觀察到任何能表明白洞可能存在的證據。在理論研究上也還沒有重大突破。不過，最新的研究可能會得出一個令人興奮的結論，即：「白洞」很可能就是「黑洞」本身！也就是說黑洞在這一端吸收物質，而在另一端則噴射物質，就像一個巨大的時空隧道。

科學家們證明了黑洞其實有可能向外發射能量。而根據現代物理理論，能量和質量是可以互相轉化的。這就從理論上預言了「黑洞、白洞一體化」的可能。

要徹底弄清楚黑洞和白洞的奧秘，還為時過早。但是，科學家們每前進一點，所取得的成績都讓人激動不已。我們相信，打開宇宙之謎大門的鑰匙就藏在黑洞和白洞神秘的身後。

蟲洞——當白洞與黑洞相遇

有科學家猜測白洞與黑洞相撞會形成蟲洞。蟲洞連接黑洞和白洞，在黑洞與白洞之間傳送物質。在這裡，蟲洞成為一個阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋，物質在黑洞的奇點處被完全瓦解為基本粒子，然後通過這個蟲洞（即阿爾伯特·愛因斯坦—羅森橋）被傳送到白洞並且被輻射出去。

蟲洞的概念最初產生於對史瓦西解的研究中。物理學家在分析白洞解的時候，通過一個阿爾伯特·愛因斯坦的思想實驗，發現宇宙時空自身可以不是平坦的。如果恆星形成了黑洞，那麼時空在史瓦西半徑，也就是視界的地方與原來的時空垂直。在不平坦的宇宙時空中，這種結構就意味著黑洞視界內的部分會與宇宙的另一個部分相結合，然後在那裡產生一個洞。這個洞可以是黑洞，也可以是白洞。而這個彎曲的視界，就叫做史瓦西喉,它就是一種特定的蟲洞。

那麼，「蟲洞」是什麼呢？簡單地說，「蟲洞」是連接宇宙遙遠區域間的時空細管。它可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來，並提供時間旅行的可能性。隨著科學技術的發展，新的研究發現，「蟲洞」的超強力場可以通過「負質量」來中和，達到穩定「蟲洞」能量場的作用。科學家認為，相對於產生能量的「正物質」，「反物質」也擁有「負能量」，可以吸去周圍所有能量。像「蟲洞」一樣，「負能量」也曾被認為只存在於理論之中。不過，當前世界上的許多實驗室已經成功地證明了「負質量」能存在於現實世界，並且通過太空飛行器在太空中捕捉到了微量的「負能量」。

宇航學家認為，「蟲洞」的研究雖然剛剛起步，但是它潛在的回報，不容忽視。科學家認為，如果研究成功，人類可能需要重新估計自己在宇宙中的角色和位置。人類被「困」在地球上，要航行到最近的一個星系，動輒需要數百年時間，是當前人類不可能辦到的。但是，未來的太空航行如使用「蟲洞」，那麼一瞬間就能到達宇宙中遙遠的地方。

灰洞

霍金提出「灰洞」理論是為了解決「防火牆悖論」問題而在「反德西特時空」中的模擬設定，並非黑洞真不存在，只是為了化解廣義相對論與量子物理在黑洞中的矛盾。

科學家史蒂芬·威廉·霍金（Stephen Hawking）身殘志堅，因提出宇宙黑洞理論而舉世聞名。據英國《每日郵報》2014年1月24日報導，在一篇在線發表的論文中，表示「宇宙中沒有黑洞」，存在「灰洞」。這個理論震驚了物理學界，乃至整個世界。

據國外媒體報導，史蒂芬·霍金的黑洞理論為宇宙中最緻密的天體行為提供了一種可能性的解釋，日前這位大科學家在其作品中提到，宇宙中沒有「黑洞」，有的只有「灰洞」。

該理論來源於一篇名為《黑洞的信息保存與氣象預報》的調查論文中，是霍金對黑洞的研究成果之一，他認為黑洞其實是一個擁有極端物理環境的「灰色地帶」，質能進入黑洞中後還會「回到」宇宙中，我們此前對黑洞的邊界理論認識是有待改善的，黑洞或不會永久性地保存質能信息，在某個時候會「釋放」出來，暫時稱該行為為「黑洞的蒸發」。也有部分學者認為黑洞通過蟲洞連接白洞，黑洞利用強大的引力吸收質能，又從白洞中噴發出來。