廣義相對論的推論-黑洞與蟲洞

宇宙的神秘面紗已經被我們輕輕掀起了一個小角，人類就像一個好奇的小孩小心翼翼地往裡面瞄了一眼，頓時從頭震撼到腳。但是各位親愛的讀者，你僅僅是看到了真相的冰山一角，後面的風景才將真正挑戰你思維的極限，讓我們順著時空彎曲這條道路繼續往下，看看還有什麼驚人的推論在前方。

通過水星進動現象和星光實驗，我想我大概已經讓你相信引力確實可以彎曲空間了。那麼讓我們順著這根線索不要停止思考，繼續深入下去。什麼東西產生引力？對，是質量。質量越大，引力越強，引力越強，空間彎曲得越厲害。請把我們的宇宙空間想像成一張細密的網，任何有質量的物體就像一個球放在這張網上，這個球質量越大，體積越小，則在這張網上下陷得也越深。剛開始只是像一個小小的凹陷坑，但是隨著下陷的深度越來越大，就會越來越像一個空間中的「洞」

圖5-13質量越大的物體在空間上造成的洞越深

任何掉進這個洞裡面的東西想要出來，就好像井下的青蛙想要跳出來，就必須要達到一個能逃出來的最低速度，這個速度我們稱之為逃逸速度。地球也會在宇宙空間中形成一個「洞」，不過地球質量很小，充其量也就是像沙灘上的一個腳印，那麼要從地球上逃逸出去的速度是多少呢？這個在牛頓時代人類就會計算了（當時的人類並不知道引力是空間彎曲這個概念，當然更不可能有什麼洞的概念，但是從研究運動和力的關係出發，同樣能計算出逃逸速度），是11.2公里/秒，這也叫做第一宇宙速度，這個速度大約是民航客機速度的28倍，所以要發**衛星到太空去用飛機是不行的，非得用火箭才行。逃逸速度的值取決於天體的質量和半徑這兩個參數，所以用個形象思維就是一個同樣重量的木球和鐵球，因為鐵球的體積要小得多，所以造成的洞就會深得多，因此要從這個洞中逃出來的速度也會大得多。大家想想，宇宙中跑得最快的東西是什麼？上一章已經說過了，那就是光，沒有什麼東西比光的速度還快。那麼有沒有一種可能，這個洞是如此之深，逃逸速度比光速還要大，那麼就意味著連光都休想從洞裡面逃出來，那也就沒有任何東西能從這個洞裡面逃出來了，如果真有這樣的洞存在，那麼這個洞可真夠黑的，永遠是只進不出。德國有個大天體物理學家叫史瓦西（Schwarzschild 1873-1916）首先開始思考這個問題，他也是愛因斯坦的粉絲之一，他仔細研究了廣義相對論，通過廣義相對論的引力場方程計算出來了名垂千古的「史瓦西半徑」（史瓦西自己當然不會給這個半徑取名叫史瓦西半徑，這裡先提前借用一下，如果我是史瓦西，寧可不要用我的名字命名，看到後面就知道了），他的意思是說任何天體都存在這樣的一個半徑臨界值，如果小於這個半徑，那麼它在宇宙空間這張網上摳出的這個洞就會成為一個名符其實的「黑洞」（黑洞這個詞的正式出現一直要到1967年，筆者為了表述方便，提前借用，對嚴謹的學者們說聲抱歉），這個半徑的大小取決於天體的質量。史瓦西計算出來，說如果太陽的半徑縮小到3公里的話，那麼太陽就會成為一個黑洞，什麼光也發不出來了，他還說如果把地球壓縮到半徑只有9毫米的話，那麼地球也可以變成一個黑洞，任何物體，只要有質量，壓縮到史瓦西半徑以內，都會成為一個黑洞。史瓦西半徑一公布出來，立即引起了包括愛因斯坦在內的很多天文學家和物理學家的興趣，吸引了一大批科學家去深入研究這個恐怖的黑洞，只是我們可憐的史瓦西先生在算出史瓦西半徑的當年就死於意外，年僅43歲，真是科學界的一大損失，為了紀念他，就把這個天體要成為黑洞的臨界半徑稱之為史瓦西半徑。

黑洞原理

黑洞在一開始出現的時候，僅僅是作為一個方程的解存在的，也就是說黑洞僅僅是一個數學概念，宇宙中到底有沒有這樣恐怖的洞存在，誰也不知道，因為既然是黑洞嘛，就是完全不發光的，那麼天文學家當然也就認為是永遠無法觀測到的。不過後來隨著研究的深入，人們漸漸發現其實黑洞也是能觀測到的，有很多方法，比如，黑洞雖然是全黑的，但是它的質量和引力是實實在在的，引力產生的空間彎曲效應可以通過觀測它旁邊的星光的扭曲來驗證，黑洞就好像一個透鏡一樣，在宇宙中運動的時候，邊上的星光都會被扭曲變形。再比如，黑洞如果與一個恆星相遇，則這顆倒霉的恆星會被黑洞一點點的吞噬掉，那個景象就好像一隻貓在玩一個毛線球，把毛線一點點地抽出來一樣。再到後來，英國大科學家霍金研究發現，黑洞其實不是全黑的，黑洞的兩極會發出巨大的輻**流，當然這些輻**不是可見光，但是用**電望遠鏡可以檢測到這些輻**流。所有上面說道的這些方法都已經在這最近的幾十年來被天文望遠鏡所證實，為了便於大家直觀理解，我們來看一些經過藝術加工和誇張後的黑洞的圖片：

圖5-14方法一：這個就是黑洞的透鏡效應

圖5-15方法二：被黑洞吞噬的恆星

圖5-16方法三：噴出巨大輻**流的黑洞

黑洞是廣義相對論最重要的一個推論之一，一開始也是引起了巨大的爭議，而且更由於剛開始大家普遍認為的不可觀測性，所以懷疑的人就更多了（還記得我們在第一章說過的奧卡姆剃刀原理嗎，如果一樣東西永遠無法被檢測到，那就跟沒有一樣）。但是時至今日，已經沒有任何人，哦，可能除了一些自認為的民間科學家以外，懷疑黑洞的真實存在性了。黑洞已經成為了廣義相對論和天文學研究的標準對象。

黑洞還有個特別有趣的性質，因為它的質量大到把時間和空間都扭曲成一個洞了，空間被弄成一個洞你還好理解點，不就是進去的東西出不來嘛，那時間被扭曲成一個洞你能想像是怎麼回事嗎？在黑洞裡面，時間停止了，準確的說，時間不存在了，時空在這個地方被打了一個死結（別再追問了，我也想像不出是啥樣子）。假設有一個倒霉的宇航員不幸掉入一個黑洞，他在掉入黑洞的一剎那，從外面的觀察來看，這個倒霉的宇航員的時間停止了，他的動作也停止了，他就像照片定格一樣被永遠定格在了黑洞的邊緣，宇航員的親人們永遠也看不到他掉進去，宇航員的子孫後代世世代代都可以看到這幅定格的恐怖畫面（後代們抱著兒子指著黑洞邊緣定格的畫面說看哪，兒子，這就是你18代祖宗），但是，如果你是那個倒霉的宇航員，時間對你自己來說仍然是一樣流逝的，你仍然會感到自己掉進去了，到底掉進去以後會發生什麼，誰也不知道，你別問我了，如果你去問霍金，他會這麼回答你：「所謂黑洞，就是一切永遠無法了解的事件真相的**。你明白了嗎？」他看似回答了你的問題，其實跟我的回答是等價的。這個事情是不是很難以想像，外人（直到宇宙末日那天）都認為倒霉的宇航員永遠處於將掉入未掉入的狀態，而宇航員自己則認為自己掉進去了。

我說了，我們的思維不要停，繼續往下深入，越往下想越神奇。讓我帶著你繼續沿著上面的線索往下想，千萬別走開，最神奇的事情馬上就要發生了。

黑洞就是宇宙這張大網中時間和空間形成的一個洞，你看，就像這樣：

圖5-17 一個黑洞就像一個漏斗

越看越像一個漏斗。你有沒有想過，如果宇宙中有兩個這樣的漏斗，剛好漏鬥嘴對漏鬥嘴接上了，會發生什麼情況？

圖5-18 蟲洞原理

愛因斯坦和另外一個叫羅森塔爾的美國物理學家一起研究發現廣義相對論的方程中，有一個解可以從理論上允許這種情況的發生，物理圈子裡面的人把他稱之為「愛因斯坦-羅森塔爾橋」，說這個連接部位就像一座橋一樣連通了宇宙空間中的兩個本來相隔得非常非常遙遠的區域。我想起了前段時間看的一部美國大片《雷神托兒》中的台詞：「我們那個世界把這個叫做彩虹橋，你們把它稱之為愛因斯坦羅森塔爾橋。」但是很快人們就覺得，這個情景還是更像一個洞，只不過這個洞就好像一隻蟲子咬穿了一隻蘋果一樣，這個比喻更形象，更深入人心。因此，這個愛因斯坦羅森塔爾橋大多數情況下都被叫做「蟲洞」。

蟲洞這個東西太神奇了，不但可以連通相隔遙遠的宇宙空間，讓你能突然從一個地方跨越幾百光年出現在另一個地方，而且，它還能連通時間，讓你從一個時間突然出現在另外一個時間，不光是從現在到未來，也有可能是從現在到過去。蟲洞成了現在關於宇宙旅行和時間旅行的科幻小說的標準化理論，也成了地球上發生的無數古怪離奇的失蹤案件和穿越事件的元兇，反正一切不可思議的事情都能用蟲洞來解釋，這個蟲洞簡直成了萬能的。但是讓我們從理性的角度再看一下這個蟲洞，我們會發現如果橋的兩頭都是兩個黑洞的話，那有什麼意義呢？你從洞的這頭掉進去，你也無法從洞的那頭出來，無非就是從宇宙的一個監獄跳躍到了另外一個監獄而已。除非，廣義相對論的另外一個叫「白洞」的推論也能存在，所謂白洞就是剛好跟黑洞性質相反的一個洞，這個洞不停地把物質以輻**的方式「吐」出來（迄今為止尚未有任何直接或者間接的觀測證據出現）。如果蟲洞的一頭是個黑洞，另一頭是個白洞，那麼你就有可能從黑洞這頭掉進去，從白洞那頭被吐出來，不過即便吐出來了，你也成為了輻**的形式，也就是還原成為了基本粒子。看來，不論蟲洞的兩頭是黑洞還是白洞，指望它來做真正的時間和空間旅行似乎死亡率都達到100%，看起來真是不夠給力。於是為了讓蟲洞這個純數學的產物能夠更加富於浪漫色彩，更加便於科幻小說作家創作，最近10多年來有了無數種關於蟲洞存在允許我們活著通過的可能性的理論問世，那真叫一個五花八門。說老實話，我是沒有辨別真偽的能力的，總之每個理論都被冠以很牛的名稱，還會出現很多超級玄的名詞，不過這些名詞我大多數都不認識。不管怎樣，人類最可貴的精神就在於無限的想像力，沒有這些想像力，我們是不可能從茹毛飲血的古猿進化成為能登上月球的萬物之靈的，從這個角度來說，我們都應該感謝科學家、偽科學家、幻想家甚至妄想家。

根據奧卡姆剃刀原理，第二種思路更有可能接近真相，它需要的假設更少。

這也暗合司法界的無罪推定論，總不能非要找個嫌疑犯吧。

講到這裡，本章已經接近尾聲了，讓我們來梳理一下前面看過的那些風景。首先，愛因斯坦從對狹義相對性原理的不滿意出發，把狹義相對性原理推廣到了等效原理加廣義相對性原理，然後從這兩個原理出發，推導出了引力使得時空彎曲，繼而又推導出了黑洞這麼個不知道什麼玩意兒的玩意兒，再從黑洞想到了蟲洞，於是時空旅行有了理論可能性。這麼一路走來，風景越來越奇特，如果我們不是這麼一路走過來的，而是從光速不變的時候就直接告訴你光速不變說明時空旅行有可能，你一定會嘲笑我是不是精神出了問題，但科學的神奇就在於一步步往前走的時候，覺得每一步都是合理的，一段時間以後再回頭一看，發現連自己都快不相信腳下的這片神奇土地了。難怪愛因斯坦會講出下面這句名言：

「宇宙最讓我難以理解的是居然它是可以被理解的。」

本章就到這裡……

等等，等等，你突然大聲叫起來，001，你忘記了一件最重要的事情。

什麼事？

壓軸大戲啊，壓軸大戲還沒上演呢，前面兩章都有壓軸大戲的，這章怎麼可以沒有，不帶這樣的，壓軸大戲必須要有的，否則我們就賴著不走了。

哈哈，就等你們這句話呢，壓軸大戲自然是早就準備好了，而且這部壓軸大戲是絕對可以堪稱壓軸的，我們要讓整個宇宙成為我們的演員，我們要對宇宙本身的生死做出終極思考，好戲這就上演！

--來自汪潔《時間的形狀》?

---未完待續---

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