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宇宙中三个极端的洞有什么不同,黑洞已现,白洞和虫洞在哪里?

黑洞白洞、虫洞都是宇宙中的特殊极端存在,它们的共同点为:都是引力导致的极端结果,遵从爱因斯坦引力场方程(简称场方程),公式表述见下图:

这个公式的推导过程很复杂,这里就不展开说了。虽然这三个“洞”都是由于引力场导致的,但性质却完全不一样。它们到底是什么,躲在哪里,分别了解这几个“洞”后就知道了。

黑洞

简单地说,黑洞就是物质压缩到极限产生的一种奇异现象。理论上任何物质都有可能压缩到极限,从一个原子,到一个星球,只要压力足够大,都有可能成为一个黑洞。这个压力要多大呢?没有一个具体数值,但物质被压缩的极限是有公式计算的。

这个公式就是史瓦西半径公式,表述为:R=2GM/C^2。这里的R表示史瓦西半径,G为引力常量,M为物体质量,C为光速。这个公式是1916年天体物理学家卡尔・史瓦西,根据爱因斯坦刚发表不久的广义相对论中引力场方程推导出来的。

这个公式的意义就是,任何物质只要被压缩到自身质量的史瓦西半径以内,就会发生奇异变化:所有物质会无法避免地坠落到核心的奇点上,并以史瓦西半径为界形成一个球状空间,这个空间具有无限曲率,任何物质一旦进入这个空间就再也无法逃逸,只能坠落到中心的奇点上,连光也不例外。

这个史瓦西半径有多大呢?根据公式计算,一个氢原子质量约为1.674*10^-27kg(千克),其史瓦西半径就是约2.48*10^-54m(米);地球的质量约为6*10^24kg,史瓦西半径约为8.9mm(毫米);太阳的质量约为2*10^30kg,史瓦西半径就约为2964m。

科学家们认为,在大型强子对撞机中,通过接近光速的粒子对撞,巨大的压强有可能制造出原子级别的微型黑洞。这种想法还只是存在理论上,这种微小的黑洞目前尚未能捕捉到。理论上,宇宙大爆炸时期会留下许多微型黑洞,根据霍金辐射理论,原子级黑洞会瞬时蒸发,因此至今还没有发现这种微型黑洞。

宇宙中,已发现最小的黑洞在太阳质量3倍以上。这些黑洞都是大质量恒星在死亡时,内部发生热核失控,引发超新星大爆炸后,极端的压力将核心部分物质压缩到自身质量的史瓦西半径中,从而成为一颗黑洞的。

一般认为大于太阳质量30~40倍的恒星,死亡时会直接留下一颗黑洞。宇宙黑洞的形成原因,还有大质量天体的碰撞、吸积,超过质量临界点而坍缩形成。比如中子星通过吸积,质量超过奥本海默极限,就会被压缩成一颗黑洞。

理论上因为黑洞质量都在核心的奇点上,而那个奇点无限小,这样黑洞就被理解为体积无限小,密度无限大,曲率无限大,热量无限高。这4个无限的前提是体积无限小,才导致后面三个无限的出现。

黑洞曲率无限大,是指史瓦西半径内,其临界处又称为黑洞事件视界。所谓曲率就是质量导致周边时空的扭曲,表现为引力。在距离遥远的地方,其引力依然遵循万有引力定律,是与质量成正比与距离平方成反比的,与任何天体的引力是一样的。

由于黑洞史瓦西半径内引力无限大,任何靠近黑洞的物质都会被“吃掉”,有去无回,因此黑洞就会变得越来越大。现在宇宙中发现最大的黑洞,名为SDSS J073739.96+384413.2,质量是太阳的1040亿倍。

这就是黑洞的前世今生。

中子星变黑洞的过程

中子星是目前宇宙中发现密度仅次于黑洞的天体,是中大质量恒星,也就是约8~30倍太阳质量的恒星,在演化后期发生超新星大爆炸后,核心部分留下的一个致密的核。

这个核的半径只有约10km(千米或公里),密度高达1~20亿吨/cm^3(立方厘米),表面压力达到10^28个大气压,比地形压力大33万亿亿倍,比太阳中心压力大3.3亿亿倍。

中子星的质量一般维持在太阳质量的1.44~3倍左右。根据泡利不相容原理,小于太阳质量1.44倍时成不了中子星,只能成为白矮星,由电子简并压支撑星体形态;而中子星则依靠中子简并压支撑着重力压,保持着中子星形态,当质量超过临界点时,中子简并压就无法支撑重力压力,从而中子星无法保持星体形态,很快坍缩成一颗夸克星或黑洞。

由于中子星引力巨大,会将周边附近的天体或星际物质不断吸积到自身,不断增加质量,因此蜕变成更致密天体的可能性很大。

夸克星还是一种理论假想的存在,目前还没有发现这种天体,所以,一般认为中子星超过奥本海默极限会直接坍缩成黑洞。奥本海默极限就是中子星探索的质量临界点,这个临界点目前还没有准确定论,科学界经过观测发现和理论推算,一般认为在太阳质量的2~3倍之间。

黑洞是恒星(或任何天体)的顶级尸骸,就是任何天体变成黑洞后就到顶了。

白洞

白洞是与黑洞正好相反的一个理论猜想,只是物理学家们根据爱因斯坦场方程假设的一个数学模型。迄今为止,白洞还没有被观测证实。这个模型的基本定义是,黑洞不断吞噬宇宙物质,白洞却正好相反,不断向宇宙中喷射出物质。

理论上黑洞和白洞都是宇宙中的极端天体,黑洞的引力无限大,白洞的排斥力无限大,它们都有一个封闭的边界,进入黑洞视界的物质是有去无回,连光也不例外;而白洞的视界不允许任何物质进入,只出不进,同样连光也不例外。

因为白洞还只是理论上存在的一种假设天体,因此白洞的成因说法不一,其中比较有代表性的观点是,宇宙大爆炸开始时,由于爆炸不充分不均匀,一些没来得及爆炸的致密核被抛射出来,这些被抛出的致密核仍处于奇点状态,只是爆炸延迟了,有的延迟了100多亿年才爆发,这种爆发就是白洞。

类星体核心巨大的引力源就是一个白洞,喷发出的物质与周围物质发生碰撞,不断迸发出高能射线。

除此之外,还有几种观点:之一,白洞是黑洞的“反演”,就是当黑洞坍缩到了极限会发生质变,也就是反坍缩爆炸,由此从向内吸积能量转化为从核心向外喷发能量;之二,就像宇宙中存在着正负物质一样,白洞和黑洞是宇宙中的正洞和负洞,一个释放能量,一个吸收能量,性质相反。

还有观点认为,黑洞吸收的物质,会从另一端的白洞喷发出来,连接黑洞和白洞的这根管道就是虫洞。黑洞和白洞有可能处于相同时空,但距离遥远的两个区域,也可能分别处于正反不同性质的两个时空。

不过这些理论迄今为止,依然是公说公有理,婆说婆有理,因为没有观测到虫洞的真实存在。那么虫洞到底存不存在呢?很难说。科学发现的最大乐趣,莫过于根据理论提出的预言,最终被证实真实存在。黑洞和引力透镜就是这样被发现的,白洞会被发现或最终被否定吗?我也不知道。

虫洞

虫洞也是根据爱因斯坦场论提出的一种预言。“虫洞”这个概念最早于1916年由奥地利物理学家路德维希・弗莱姆提出,后来,爱因斯坦和纳森・罗森两位物理学家对这个理论进行了完善,因此人们又把虫洞称为“爱因斯坦-罗森桥”,也叫时空隧道,意指连接两个遥远时空的多维空间隧道。

这种时空连接很可能会连接到“婴儿宇宙”,也就是宇宙诞生后不久刚刚诞生星系和恒星的时期,这种时空距离我们有138亿光年,甚至更长。

通俗地说,虫洞犹如高速路或火车穿越山峰的隧道,如果没有这个隧道,要到山的另一面就需要翻过山巅,或弯许多路,而穿越隧道就近很多。因此虫洞被认为是宇宙空间存在的“捷径”或“抄近道”,有了这个捷径,就能够实现遥远时空的瞬时转移,比如很快到达婴儿宇宙,到达目的地所需时间相对不走捷径,就会超越光速许多倍。

但这种“跨越”并没有增加速度,只是“抄了近道”,不违背光速极限的原则。因此,虫洞穿越是人类突破速度瓶颈,或者说突破光速藩篱的一个可能选项。但虫洞也像白洞一样,还只存在于科学幻想和理论猜想阶段,并没有发现真实存在,未来能不能发现或利用,也还是一个未知数。

有关虫洞的成因,也有多种说法。比如前面说的,黑洞与白洞之间存在一个物质输送管道,就是虫洞;还有白洞和黑洞碰撞,会形成虫洞等等。

总体上说,虫洞是巨大引力场作用下形成的时空漩涡,巨大质量的天体旋转及其相互作用过程会对时空造成扭曲,形成时空漩涡或陷阱。这有点像海水中的巨大漩涡,无处不在但又转瞬即逝,有些漩涡能让两个相距很远的局部瞬间离得很近,这种时空漩涡在宇宙中就被称为“虫洞”。

由于虫洞具有不确定性和转瞬即逝的性质,即便发现虫洞真实存在,能否利用也颇有争议。有人认为,只有负能量或暗物质能够维持虫洞的稳定。而负能量和暗物质在目前也还是一种理论假设,人们并不清楚这些玩意到底是什么。

因此,虫洞穿越现在还只是个科幻或神话,或许永远是个神话。

结论:

从以上介绍,我们可以看出,黑洞、白洞、虫洞说起来都是“洞”,但不是普通的洞,而真正可以说有点像洞的,只有虫洞,其余的两个都是一种特殊天体。从根本上说,这三个“洞”都是引力场导致的现象或者说存在,但它们之间具有完全不一样的性质,对人类未来的影响和作用也不一样。

目前,科学家通过巨大努力和代价,已经拍摄出了第一张黑洞照片,证实了黑洞的真实存在。但白洞和虫洞还只存在于理论阶段,未来能不能发现,能不能被人类所利用尚无法定论。

是否说清楚了?若有疑问,请在评论区留言,一起讨论。感谢阅读。

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