白洞和黑洞產(chǎn)生原理有什么不同?

【專家解說(shuō)】：有人說(shuō)黑洞的出口就是白洞 白洞綜述 (一)白洞導(dǎo)論： 黑洞作為一個(gè)發(fā)展終極，必然引致另一個(gè)終極，就是白洞。其實(shí)膨脹的大爆發(fā)宇宙論中，早就碰到了原初火球的奇點(diǎn)問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題其實(shí)一直困擾著科學(xué)家們。這個(gè)奇點(diǎn)的最大質(zhì)量與密度和黑洞的奇點(diǎn)是相似的，但他們的活動(dòng)機(jī)制卻恰恰相反。高能量超密物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，顯示黑洞存在的可能，自然也顯示白洞存在的可能。如果宇宙物質(zhì)按不同的路徑和時(shí)間走到終極，那么也可能按不同的時(shí)間和路徑從原始出發(fā)，亦即在大爆發(fā)之初的大白洞發(fā)生后，仍可能出現(xiàn)小爆發(fā)小白洞。而且，流入黑洞的物質(zhì)命運(yùn)究竟如何呢？是永遠(yuǎn)累積在無(wú)窮小的奇點(diǎn)中，直到宇宙毀滅，還是在另一個(gè)宇宙涌出呢？如果黑洞從有到無(wú)，那白洞就應(yīng)從無(wú)到有。60年代的蘇聯(lián)科學(xué)家開始提出白洞的概念，科學(xué)家做了很多工作，但這概念不像黑洞這么通行，看來(lái)白洞似乎更虛幻了。問(wèn)題是我們已經(jīng)對(duì)引力場(chǎng)較為熟悉，從恒星、星系演化為黑洞有數(shù)理可循，但白洞靠什么來(lái)觸發(fā)，目前卻依然茫然無(wú)緒。無(wú)論如何宇宙至少觸發(fā)過(guò)一次，所以白洞的研究顯然與宇宙起源的研究更有密切的關(guān)系，因而白洞學(xué)說(shuō)通常與宇宙學(xué)結(jié)合起來(lái)。人們努力的方向不在于黑白洞相對(duì)的哲學(xué)辯論，而在于它的物理機(jī)制問(wèn)題。從現(xiàn)有狀態(tài)去推求終末，總?cè)菀仔?，相反的從現(xiàn)有狀態(tài)去探索原始，難免茫無(wú)頭緒。 (二)白洞起源： 白洞學(xué)說(shuō)出現(xiàn)已有一段時(shí)間，1970年捷爾明便提出它們存于類星體、劇烈活動(dòng)的星系中的可能性。相對(duì)論和宇宙論學(xué)者早已明白此學(xué)說(shuō)的可能性，只是這與一般正統(tǒng)的宇宙觀不同，較不易獲得承認(rèn)。某些理論認(rèn)為，由于宇宙物體的激烈運(yùn)動(dòng)，或者星系一部噴出的高能小物體，它們遵守著克卜勒軌道運(yùn)動(dòng)。這是一種高度理想化的推測(cè)，亦即一個(gè)地方有幾個(gè)白洞，在星系核心互相旋轉(zhuǎn)，偶然噴出滿天星斗。噴出的白洞演化成新星系。而從星系團(tuán)的照片中可觀察到一系列的星系由物質(zhì)連接起來(lái)。這顯示它們是由一連串劇烈噴射所形成的。照此來(lái)說(shuō)，白洞可能會(huì)像阿米巴原蟲一樣分裂生殖，由分裂而形成星系。然而這又和目前的理論相違背。從此看來(lái)，就是星系生成也有不同見解。有的天文學(xué)家便提出并接受宇宙之初便有不均勻物質(zhì)的結(jié)塊，而其中便包含了白洞。宇宙向最初奇點(diǎn)收縮，星系、星系群都同一動(dòng)作，這當(dāng)然和黑洞的奇點(diǎn)相似。宇宙的不同區(qū)域，其密度皆不同，收縮時(shí)首先在高密度的地方，達(dá)到了黑洞的臨界密度，從此消失在事界之后，宇宙不斷收縮，使不斷出現(xiàn)高密奇點(diǎn)。宇宙成為大量黑洞及周圍物質(zhì)的集合體。然而事實(shí)上，宇宙是膨脹而非收縮的，因此它是白洞而不是黑洞。在宇宙整體性源始的大奇點(diǎn)中存在著密度高的小質(zhì)點(diǎn)，它們隨著膨脹向四面八方擴(kuò)散，大白洞大量爆發(fā)生出小白洞。星系等不均勻物體，正是由它生成的。不均勻物體之所以易和黑洞拉上關(guān)系，皆是因?yàn)樗团蛎洭F(xiàn)狀相對(duì)稱的宇宙中局部收縮的過(guò)程。目前宇宙中黑洞和白洞的存在是并行不悖的，是過(guò)程的兩個(gè)端點(diǎn)而已。黑洞奇點(diǎn)是物質(zhì)末期塌縮的終點(diǎn)，白洞物質(zhì)的奇點(diǎn)是星系的始端。只不過(guò)各過(guò)程不是同時(shí)，而是先后交錯(cuò)的。 (三)白洞的噴發(fā)： 有關(guān)于白洞的資訊，目前并不多。所以我們對(duì)白洞的噴發(fā)并不十分了解。白洞的噴口的來(lái)歷并不清楚，一如大爆發(fā)原因不明。奈里卡在1975年論述了許多使天文學(xué)家感覺困擾的問(wèn)題和白洞的數(shù)學(xué)聯(lián)系，這是相關(guān)重要的。在噴發(fā)中白洞存在的前提下。外部觀測(cè)者可以探測(cè)到藍(lán)移所致的不同輻射源的頻譜。大爆發(fā)的初期狀態(tài)所遵循的愛因斯坦宇宙論方程式同樣可施于探索星系規(guī)模膨脹系統(tǒng)的未爆核狀態(tài)，但奈理卡使用了方程式時(shí)結(jié)合了過(guò)程的物理項(xiàng)。白洞向外爆發(fā)的時(shí)間極短，這一瞬的過(guò)程當(dāng)然很難說(shuō)明，但白洞所產(chǎn)生的電磁輻射市可計(jì)算的。觀測(cè)到的爆炸光譜的最大特征，是最初以高能輻射為主體，不久就顯示出低能輻射。輻射若是由白洞產(chǎn)生，這現(xiàn)象就很自然了輻射能愈高，藍(lán)移也愈大，所以最初可見光也都移到紫外區(qū)了。他還計(jì)算了銀河系中偶然的小規(guī)模爆發(fā)現(xiàn)象，說(shuō)明了銀河內(nèi)小白洞隨時(shí)爆發(fā)的可能性。例如短期間活動(dòng)的銀河內(nèi)X-ray，劇烈的最高能量最先到達(dá)，其后能量下降，整體按幕函數(shù)遞減在光譜中顯示出來(lái)。這和白洞理論計(jì)算是一致的。各X-ray之間，光譜不盡相同，不過(guò)這差異可從白洞對(duì)自己產(chǎn)生的電磁輻射產(chǎn)生畸變說(shuō)明。因?yàn)榘锥磧?nèi)產(chǎn)生的輻射可能有黑體輻射(微波以下噪音)、自由輻射(帶電粒子間相互作用產(chǎn)生)、同步輻射(帶電粒子在強(qiáng)磁中通過(guò)而產(chǎn)生)等不同形態(tài)。人造衛(wèi)星偶然觀測(cè)到的突發(fā)r射線，可以白洞影響說(shuō)明；宇宙射線背景高能粒子的生成，也可以認(rèn)定是白洞噴發(fā)的物體。 黑洞綜述 究竟什么是黑洞?黑洞是由具有極大質(zhì)量的超巨星在塌陷時(shí)所形成的，恒星的核心在本身重量的影響下非?？焖俚氖湛s，并釋放出強(qiáng)勁的暴發(fā)能量，如果核心物質(zhì)大的使塌陷無(wú)限地繼續(xù)下去，便產(chǎn)生了黑洞，在重力巨大的擠壓下，所留下的物質(zhì)有難以想像的高密度。由于黑洞的質(zhì)量非常大，使得它們具有強(qiáng)大的重力場(chǎng)，這些力量大的連光線也無(wú)法逃出它的手掌心，這也就是為什么它要叫做黑洞的原因了，在它的邊界內(nèi)你看不到任何東西。 (一)黑洞導(dǎo)論： 「黑洞」，顧名思義就是一個(gè)漆黑的洞。因其引力過(guò)強(qiáng)，以至于連自己發(fā)出的光線都無(wú)法由其中逃脫而出。就連光線由外射入 ，也像射入無(wú)底洞。然而大質(zhì)量塌縮的恒星是如何到達(dá)此情境的呢?試想一物體于一塌縮星的表面，隨著恒星塌落而凝縮，不停的靠向中心，重力愈來(lái)愈強(qiáng)。(天體的重力離中心愈近愈大)而恒星愈收縮，要離開它的表面速度要求愈大。當(dāng)恒星塌縮到到光速時(shí)，已幾乎無(wú)任何物體可逃脫而出。(根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論而言，光速是所有物體速度的極限，幾乎沒(méi)有任何物體的速度會(huì)超過(guò)光速。)而塌縮到光速都無(wú)法逃出時(shí)，任何物體都不可能再?gòu)暮诙粗谐鰜?lái)。當(dāng)恒星塌縮到此一境界時(shí)，這時(shí)黑洞所呈現(xiàn)的半徑就稱為「史瓦西半徑」。假設(shè)地球也做如此的塌縮，那此時(shí)地球的史瓦西半徑就為一厘米寬。但恒星并非一定凝縮到此程度才形成不可逃脫的表面。質(zhì)量愈大，其史瓦西半徑內(nèi)的物質(zhì)密度愈小。如質(zhì)量是太陽(yáng)一億倍的，縮到水的密度便達(dá)到史瓦西半徑了。 (二)黑洞與相對(duì)論： 在這里又談到愛因斯坦的相對(duì)論。本來(lái)黑洞并非一定得由大質(zhì)量的恒星演變而成， 只是一般星體不可能一下子縮到底。所以恒星演變成黑洞只有經(jīng)由大質(zhì)量塌縮這一途徑。此結(jié)論已由相對(duì)論導(dǎo)出，至于黑洞與外界斷絕關(guān)系，我們可以把其形狀試想成細(xì)長(zhǎng)瓶子狀。進(jìn)入瓶子的一切短程線，都只能按弧線落到其底部。因此形成禁錮的空間，任何物體都無(wú)法逃出。但這個(gè)禁錮空間對(duì)外界是開放的，只是進(jìn)的去出不來(lái)而已，也就是它和外界相通只有單向性。這個(gè)禁錮空間的內(nèi)外分界稱為「事界」(Event horizen)，也就是史瓦西半徑的界面，過(guò)了這界線，外界就無(wú)從得知了。內(nèi)部的人最遠(yuǎn)只能到達(dá)史瓦西半徑界面，亦即事界是他們世界的端點(diǎn)。而史瓦西界面是由史瓦西首先依據(jù)相對(duì)論所求出的解，后人便稱之為史瓦西黑洞。然而其實(shí)事界的概念已先于愛因斯坦早存在，但他創(chuàng)見性的兩點(diǎn)在于時(shí)空彎曲以及光速是一切物體運(yùn)動(dòng)的極限。 (三)宇宙深淵： 黑洞是一去不復(fù)返的深淵，但在靠近黑洞時(shí)，由于時(shí)間的延滯，會(huì)發(fā)生許多奇妙的事。黑洞旅行者穿越事界，按他的計(jì)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只是很短的時(shí)間，但對(duì)遠(yuǎn)方的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，其結(jié)果卻是恰恰相反。他看見愈近事界宇航員的身影愈薄，接近事界愈緩慢?；鸺裏o(wú)限靠近事界，但總不能到達(dá)。外界的人看事界亦為如此，也是越塌縮越緩慢，形狀也越朦朧，塌縮星就像是漸漸凝住了所以以前把這現(xiàn)象叫做「塌縮星凝止」。凝止的界面就稱為「凝止界面」(Static limit)。而當(dāng)塌縮接近事界時(shí)，星光迅速黯淡。對(duì)于太陽(yáng)質(zhì)量十倍的星，就在凝止那一剎那，在百萬(wàn)分之四秒內(nèi)全部化為烏有。所以我們無(wú)從得知黑洞是如何形成的。然而黑洞周圍的時(shí)空彎曲的性質(zhì)，對(duì)人的壽命有特殊影響。它周圍的時(shí)間進(jìn)度緩慢，也許這可以做為一種變時(shí)機(jī)制，勇敢涉足于事界邊緣也許可以不老不死。但在黑洞的邊緣要求很大的加速度。愈靠近黑洞，要求的加速度越大，時(shí)間延滯也越厲害。 (四)黑洞與時(shí)間： 在我們的世界中，空間是自由的，你可以隨意上下左右移動(dòng)；但時(shí)間只有一個(gè)方向，你不能使時(shí)光倒流?？拷陆鐣r(shí)，時(shí)間進(jìn)程減緩了，但是方向沒(méi)有改變。而在事界中，則恰恰相反，我們不能在空間自由行動(dòng)了，但卻可在時(shí)間上后退。黑洞中的物體毫無(wú)辦法的向下落，亦即絕對(duì)不停止的沖向黑洞中心。在外界不斷向時(shí)間的一方流逝，在事界卻變?yōu)椴粩嗟南蛑行淖呷?，舍此別無(wú)它途。我們每個(gè)人都有自己的內(nèi)在"時(shí)鐘"，這時(shí)鐘和某人一起行動(dòng)，其時(shí)刻便稱為他的「本位時(shí)」(Proper time)。由于各種原因，各人的本位時(shí)皆不同。只是地球上的本位時(shí)差太微小了，所以大家可以校準(zhǔn)，但靠近事界的人和遠(yuǎn)方的人本位時(shí)去卻相差很多。由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間的延滯，不同速度的系統(tǒng)時(shí)間就相異了?？拷诙磿r(shí)的強(qiáng)引力，相對(duì)于周圍世界產(chǎn)生加速度，同樣也就有時(shí)間延滯。光的紅位移亦可表明此一效應(yīng)。光有能量，也就是有質(zhì)量，一樣受到引力場(chǎng)的作用，它要克服事界的巨大力量，一定付出能量的代價(jià)。光的能量由頻率決定，越靠近事界的光，跑出黑洞范圍的頻率越跌落的厲害。如果以光的脈動(dòng)來(lái)做計(jì)時(shí)裝置，那么愈靠近事界處的鐘就走的越慢。 (五)黑洞的利用： 物理學(xué)家把有序的相反概念，也就是無(wú)序狀態(tài)叫做熵(Entropy)。 一個(gè)封閉的物質(zhì)世界系統(tǒng)，無(wú)論甚么物理變化，全熵量即無(wú)序的總量絕不減少，這稱熱力學(xué)第二定律。最后熵達(dá)到最大而成平衡狀態(tài)，這就是所謂的熱寂，這時(shí)到處能量分布相同，宇宙再也活不起來(lái)了。沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，也就是沒(méi)有時(shí)間，宇宙就不存在了! 引力能的熵比核能以及熱運(yùn)動(dòng)能的熵小得多，通常引力場(chǎng)絕非無(wú)序的。但黑洞把通常共存物體吞噬進(jìn)去，就使黑洞失去多樣性而趨于統(tǒng)一，于是就包含一定的熵，把黑洞引力場(chǎng)轉(zhuǎn)為其他形式就不能百分之百有用。但黑洞有熵是肯定的。若非如此，投入極大量的無(wú)序的東西到黑洞中，豈非全體熵減小了。這就和熱力學(xué)第二定律相違背了。而黑洞的引力能，可看為存于表面，恰如水滴表面張力那樣的表面能。如果給水滴補(bǔ)充能量，它就會(huì)激烈震動(dòng)而分裂。因?yàn)槊娣e不夠容納更大的能量。同樣的，如果對(duì)黑洞施以能量，類似的理由它會(huì)震動(dòng)，用引力波放走能量，因?yàn)樗荒芊至?。它的表面積依然和初始界面表面積一樣，亦即表面積不能減少，這可稱為「不減能」。黑洞一形成，對(duì)應(yīng)的表面積就是永遠(yuǎn)不可減。再來(lái)談到若黑洞自轉(zhuǎn)或帶電的話，其塌縮星的能量便對(duì)應(yīng)增加。因?yàn)楦鱾€(gè)電場(chǎng)互相排斥，要合成一體必須作功。所以電荷凝縮伴隨著電場(chǎng)能量的儲(chǔ)存。以后吸收等量反符號(hào)電荷，變成中性，就等于把儲(chǔ)存的能量放出。事實(shí)上，塌縮星的全部能量包含了寄存的電量。而黑洞有不可減表面能量、自轉(zhuǎn)能量、電場(chǎng)能量三種。自轉(zhuǎn)能和電場(chǎng)能不是以熵的形式寄存的。旋轉(zhuǎn)速度降低、電荷中性化，就可送出能量，所以只有表面能是熵性的。 但要如何獲得其能量呢?在這里提供了「彈道法」。它是把物體射入能層，讓它分裂為二。一個(gè)跌進(jìn)了事界，一個(gè)拋了出來(lái)，而跑出的便帶走了能層的能量。