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到底什麼是黑洞和白洞

圖文 更新时间:2024-12-03 09:51:02

上世紀初,愛因斯坦提出了劃時代的引力理論——廣義相對論,以彎曲的時空幾何的方式修正了基于平直空間基礎上提出的牛頓萬有引力理論,由于對水星軌道近日點進動、日全食時太陽邊緣星光偏移預言的成功驗證,這一全新的引力理論很快得到物理界的廣泛認同。但由于廣義相對論的數學形式相當複雜,其方程含有一堆自變量,非常難解,以緻愛因斯坦一度認為它沒有精确解。

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不過很快他就被打臉了,在理論提出的次年,德國一戰前線的天文學家卡爾·史瓦西就求出了在靜态球對稱條件下的精确解,為了表彰他的貢獻,這組方程解以史瓦西的名字命名為史瓦西解,又稱史瓦西度規

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史瓦西解下的理論預言——黑洞

史瓦西解裡求出了一種古怪的天體,它的表面逃逸速度等于光速,由于在相對論下,一切常規物質的運動和信息傳遞的速度不可能超過光速,因此沒有任何物質和信息能從這種天體表明發出,這種天體應該是看不見的,因此這種天體後來被命名為黑洞。不僅如此,在計算裡,黑洞産生了兩個奇異點,這兩個奇異點一個在黑洞的邊界處,即光速無法逃逸的邊界,成為事件視界;另一個則在黑洞的中心。在這兩個奇異點上,部分物理量出現了無窮大,而無窮大是沒有物理意義的,它的出現意味着理論崩潰和失效。

不過後來,科學家發現視界處的奇異性可以通過坐标變換消除,簡單說就是對于一個向黑洞視界自由下落的參考系,視界的奇異性将消失,對于下落中的人來說,視界并不會産生無窮大。但是另一個奇異點——黑洞的中心奇點則無論如何也無法消除。

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奇點如何形成?

這個使理論失效的中心奇點是怎樣形成的呢?根據現有理論,當大質量恒星演化到末期,失去了核聚變提供的能量,物質在重力作用下向核心坍縮,随着半徑的縮小,末期恒星的表面引力越來越大,當坍縮到一定程度,光速無法逃逸的視界就會形成,視界内的物質将在巨大的引力下不可抗拒地向中心坍縮陷落,按照現有理論,沒有任何物質結構能抵禦這種坍縮,最終一切已知物質結構崩塌,成為一個體積無限小、密度無限大的奇點。也就是說,在史瓦西黑洞裡不再有物質,隻有一個時空無限彎曲的幾何點!

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白洞又是什麼?與黑洞有何異同?

前面說了,黑洞内一切都向中心奇點坍縮,一切物質結構在越來越強的引力下土崩瓦解,黑洞内除了奇點彎曲的時空,什麼都沒有……而奇點是一切的終結,包括時間!沒錯,黑洞奇點就是時間的終點!而白洞則剛好相反,它具有黑洞的特質,有一個中心的奇點也有一個視界,但它的奇點并非是時間的終點,而是相反,白洞的奇點是時間的起點。物質不再是不可抗拒地落向中心奇點,而是不可抗拒地從中心奇點噴湧而出直到視界。

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​白洞相當于黑洞的時間反演,物質從中心奇點向外傳播在正常情況下是不可能的,然而假如是時間倒流,這一幕的發生就是極其自然的。不過目前來說,一個因果律制約的正常宇宙無法允許時間反演的發生,所以,白洞不像黑洞一樣是預言中的天體,它僅僅是可能存在的天體,它的存在與否沒有必然性。

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