【科普】宇宙中的那些「洞」,黑洞、白洞、蟲洞分別是什麼天體?

漫酱~ 2022/12/08 檢舉 我要評論

在天文學上,有三種「洞」特別神奇,那就是黑洞、蟲洞和白洞。 本質上說,這三個定義都是源自于愛因斯坦的理論,但它們又各有不同。

黑洞的概念,源自于愛因斯坦的廣義相對論。1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,第二年,德國天文學家卡爾·史瓦西就計算出了一個真空解,其結果就是黑洞。計算結果表明,宇宙中可能存在這樣一種天體:它擁有著極大的引力,在一定范圍內連光都可以吞噬。美國物理學家惠勒對此非常感興趣,并提出用黑洞來形容這種天體,于是就有了黑洞的概念。

到了今天,黑洞已經不再僅僅存在于理論上的天體了,科學家們已經找到了大量的黑洞,并且將其分為三類: 恒星級黑洞中等質量黑洞以及 超大質量黑洞。后來,著名物理學家霍金又提出了 原初黑洞的概念,向我們介紹了量子級別黑洞的可能。

恒星級黑洞:質量在太陽的3-100倍之間,來自于大質量恒星死亡時的內核坍縮,當其內核超過奧本海默極限時就會形成黑洞;

中等質量黑洞:質量在太陽的100-100萬倍之間,來自于黑洞之間的碰撞,不過目前幾乎沒有發現,這也是關于黑洞的一個巨大謎題;

超大質量黑洞:質量在太陽的100萬倍以上,形成于宇宙早期,其形成模式目前還是個謎;

原初黑洞:形成于宇宙大爆炸后極短的時間,最小的甚至只有質子那麼大。

由于黑洞可以吞噬一切物質,所以我們無法直接觀測到它的本體,只能觀測到它吞噬物質時所形成的吸積盤以及釋放出的強大輻射。正因如此,世界上也仍然有少數科學家對黑洞的概念提出了質疑,并提出玻色子星等概念來代替所謂沒有體積卻有著巨大質量的奇點。

另外,對于黑洞,科學家們也有不同的觀點。比如霍金就曾經指出:黑洞并非真的只是吞噬物質,它也會向外釋放能量,所以它不是絕對的「黑」。為此,他還提出了一個形象的概念:灰洞。

同時,也有人提出了另一種觀點來解釋奇點無與倫比的吞噬能力卻沒有體積的矛盾,這就是白洞。他們認為,宇宙中可能有一種天體恰好與黑洞相反,黑洞像個貔貅一樣不斷地吞噬物質,而這種天體則將黑洞吞噬的物質全部吐出去,而又從不吸收任何物質。由于概念和屬性相反,因此他們為它起的名字也和黑洞成為了反義詞,也就是白洞。

直到今天,也沒有人真的發現白洞的任何蛛絲馬跡。因此,白洞目前也僅僅是停留在理論上的天體。也有人認為,白洞和黑洞組成了一個通往平行宇宙的通道,但這也有一個問題,那就是為何沒有其他通道的出口位于我們的宇宙呢?另外,白洞概念的提出更大程度上是為了解釋黑洞吞噬的物質,而不是完全從理論計算角度出發的結果。因此,白洞存在的可能性其實 并不高,這也導致研究白洞的科學家數量也相對不多。

相比之下,蟲洞的概念就最具科幻色彩了,因為它滿足了兩個最重要的因素: 符合理論,但沒有任何發現。

和黑洞、白洞概念都是其他人由廣義相對論推導出的理論不同,蟲洞的概念則確確實實來自于愛因斯坦本人。他和他的助手納森·羅森在研究引力場方程時提出過一個假設,認為人類可以利用時空扭曲的bug實現瞬時的空間轉移,這個概念被稱為 愛因斯坦-羅森橋,后來被命名為蟲洞。

到了今天,蟲洞的概念幾乎深入人心,包括《復仇者聯盟》《星際穿越》等在內的一系列膾炙人口的科幻作品中,雖然有一部分沒有明確表示,但其中穿梭宇宙的原理利用的都是蟲洞。而且在現實生活中,科學家們在考慮星際旅行的時候,也更多地會把精力放在對蟲洞的研究上。

說起來,廣義相對論告訴我們一個道理,那就是時空是可以扭曲的。而蟲洞也是利用了這個概念, 將兩個原本非常遙遠的空間點,通過對時空的扭曲將其連接在一起,就能夠實現瞬時的穿越。而下面這樣的圖,就是最經典的用來解釋蟲洞的圖片。

不過,不管蟲洞的概念多麼深入人心,有兩點令人悲觀的現實是不得不承認的,那就是理論上蟲洞是無法穩定存在的,同時人類也確實從來沒有發現過蟲洞(當然本質上說這兩個可能是同一個原因)。

實際上,連愛因斯坦本人都對蟲洞的概念表示悲觀,認為這種天體違背了廣義相對論,不太可能會真實存在。但是,科學家們總是會為了看起來不可能的事去做努力,而且也曾經真的完成過所謂的「不可能」。現在科學家們認為,如果我們能夠利用所謂的「 負能量」,那麼就可以讓蟲洞穩定存在,保證我們能夠利用它進行星際旅行。

甚至還有人認為,黑洞就有可能是蟲洞的入口,而白洞則是蟲洞的出口。這個猜想就比較大膽了,但就像白洞本身的定義一樣,可能性未必會很高。

總之,不論是黑洞、白洞還是蟲洞,都是建立在極端理論上的極端天體,都需要科學家們的深入研究以及更加完善的物理理論。即使其中的一個或兩個可能根本就不存在,但它們都值得我們去研究。

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