【原】與黑洞相反的特殊天體 —— 白洞是有可能存在的嗎?

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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黑洞是廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)言。如果你把一顆巨大恒星的質(zhì)量(比如說太陽質(zhì)量的100倍)輸入愛因斯坦的理論，你將看到當(dāng)這個(gè)恒星核聚變能量耗盡時(shí)，它會(huì)開始向內(nèi)坍縮，而這顆正在坍縮的恒星表面的重力場(chǎng)會(huì)變得非常巨大，以至于包括光在內(nèi)的任何東西都逃不開它。

愛因斯坦方程的有趣之處在于它表明所有東西都會(huì)掉落到一個(gè)點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)沒有體積，因此它的密度是無窮大的。因?yàn)樗袩o限的性質(zhì)，我們稱它為奇點(diǎn).我們無法對(duì)進(jìn)入它的物質(zhì)做任何進(jìn)一步的預(yù)測(cè),也許我們真的是因?yàn)橄胂罅Σ粔?，所以難以理解這樣的奇點(diǎn)，但物理學(xué)家們普遍認(rèn)為這想法太荒誕了，以致表明我們正在研究的理論并不十分完美。

所以，愛因斯坦的理論并沒有說有某種情況下黑洞會(huì)停止吸收物質(zhì)。正相反，黑洞會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)吸收物質(zhì)。（霍金提出，物質(zhì)實(shí)際上可以通過量子效應(yīng)從黑洞中逃逸，因此黑洞是有可能蒸發(fā)的，但那需要很長(zhǎng)很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間）

黑洞的反義詞是白洞。白洞從一個(gè)奇點(diǎn)中發(fā)出物質(zhì)和光。它是黑洞的時(shí)間反轉(zhuǎn)。大多數(shù)物理理論都有一個(gè)奇怪的特點(diǎn)，那就是它們與時(shí)間的方向無關(guān)。所以如果你把一個(gè)解錄下來，倒著播放，你會(huì)得到另一個(gè)解。盡管根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞和白洞都是可能出現(xiàn)的，但它們之間仍有一個(gè)至關(guān)重要的區(qū)別。為了證明這一點(diǎn)，我們不妨建立一個(gè)理論：質(zhì)量是高度的50倍。這個(gè)理論預(yù)測(cè)到：一個(gè)身高1米的人體重50千克（這可真不是個(gè)好的預(yù)測(cè)）。這就像預(yù)測(cè)黑洞一樣，我們已經(jīng)進(jìn)行了真實(shí)的測(cè)量，最終計(jì)算出了一個(gè)人的重量。然而，我們的假設(shè)理論允許一個(gè)人有10米高和500公斤高的可能性，但實(shí)際上并沒有對(duì)此做出預(yù)測(cè)。這就像白洞，理論上允許白洞的存在，但我們到目前為止還沒有找到宇宙中有任何可以讓白洞存在的情景。

然而，天體物理學(xué)家為了克服各種各樣的問題，經(jīng)常假設(shè)存在白洞。有個(gè)想法是，每存在一個(gè)一直吸收物質(zhì)的黑洞，就有一個(gè)一直釋放物質(zhì)的白洞與之對(duì)應(yīng)，這個(gè)想法的純粹對(duì)稱性很吸引人。然而理論上和實(shí)際上都沒有任何證據(jù)可以證明這一點(diǎn)。事實(shí)上，白洞的存在很難用符合熱力學(xué)第二定律的理論來解釋。問題在于，在一個(gè)白洞里能有多少熵。

熵是衡量一個(gè)系統(tǒng)中無序程度的指標(biāo)。我們對(duì)這個(gè)概念從直覺上就可以有很好的理解。比如說，七巧板在盒子里時(shí)比拼好時(shí)更混亂，打碎的啤酒杯比盛滿酒放在桌上的時(shí)候更混亂?？茖W(xué)家已經(jīng)能夠用數(shù)學(xué)方法來描述熵(同理，“能量”在日常生活中也有著模糊的含義，但物理學(xué)家可以計(jì)算出來）。一個(gè)白洞會(huì)釋放很多光子，光子是高度有組織的能源的包，所以有很低的混亂度，也就是有很低的熵。如果我們?nèi)ビ?jì)算一個(gè)白洞的熵，它確實(shí)像我們所發(fā)現(xiàn)的，非常低。

熱力學(xué)第二定律表明，對(duì)于一個(gè)封閉系統(tǒng)，熵隨時(shí)間增加。這并不是說我們周圍只有混亂程度升高的情況，很顯然你可以想到很多有序程度升高的例子（比如你把七巧板從盒子里拿出來拼好，你就增加了它的有序程度）。然而，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，只要有序程度增加，在其他地方一定有更大的無序程度增加。所以在一個(gè)“封閉系統(tǒng)”中，如果一個(gè)主體與外界沒有“熵的交流”，它的熵就一定會(huì)增加。如果你能想到一個(gè)合適的系統(tǒng)，熱力學(xué)第二定律似乎很直觀，例如，氣體分子不是整齊地排列而是分散開的。在七巧板的例子里，人在把七巧板擺放整齊的過程中產(chǎn)生了熱量，這就可以解釋總熵的增加。熱量是最無組織的能量形式，人們?nèi)紵坝行颉钡氖澄锓肿硬a(chǎn)生熱量來拼七巧板。因此，拼圖的低熵實(shí)際上最終來自太陽的光子。既然熱力學(xué)第二定律說宇宙一直處于熵增加狀態(tài)，白洞又怎么可能形成呢？

所以，雖然一個(gè)白洞可以解釋黑洞的質(zhì)量到哪去了，但它不能解釋黑洞的高熵到哪去了。很多科學(xué)家懷疑宇宙中不存在白洞。當(dāng)然，也有些人仍然不相信黑洞存在，還有更多的人認(rèn)為我們沒有完全正確地理解黑洞。雖然黑洞確實(shí)有可能通過某種方式像白洞那樣爆炸，但我們還是不知道它能不能爆炸，會(huì)不會(huì)爆炸，以及如果會(huì)的話，在什么情況下會(huì)爆炸。