要想了解什么是白洞，必須先弄清什么是黑洞

【編者按】

卡洛·羅韋利，意大利理論物理學家，圈量子引力理論的開創(chuàng)者之一，著有暢銷科普作品《七堂極簡物理課》《科學的誕生》等。在《白洞》一書中，羅韋利邀請我們進入黑洞內部，我們將經過黑洞的中心，繞開恒星的殘骸，來到時間與空間終結之處——白洞誕生的地方。白洞是黑洞的反演？從黑洞進去的東西會從白洞出來？跨過奇點，越過時間的盡頭，會發(fā)生什么？

本文摘自《白洞》。

不，我們得先從黑洞說起。要想了解什么是白洞，我們必須先弄清什么是黑洞。那么，什么是黑洞？

第一個出錯的是愛因斯坦。1915年，經過十年瘋狂而絕望的研究，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論的最終方程。廣義相對論是他最重要的理論，如今，全世界的大學都在講授這一理論。

僅僅幾周后，他就收到一位年輕同僚卡爾·施瓦西的來信，卡爾當時還是個德國陸軍中尉，幾個月后他在東線戰(zhàn)爭的磨難中死去。

這封信以幾句極美的話結尾：“正如您看到的那樣，盡管交火聲連綿不斷，但戰(zhàn)爭還是善待了我，讓我能夠暫時遠離這一切，到您的思想之地漫步?！?/p>

施瓦西漫步于愛因斯坦的思想之地，得出了愛因斯坦剛剛發(fā)表的方程的精確解。此時正是東線戰(zhàn)事的間隙，他身邊是德國和俄國年輕人的尸體，這些人被人類的愚昧所害，這種愚昧在過去和現在同樣肆虐——為爭奪邊界而死，還有比這更愚昧的事嗎？

這些方程（我的小書《七堂極簡物理課》中的唯一一個公式）一度困擾著愛因斯坦。我們在愛因斯坦此前的一系列文章中都能看到它們的蹤跡，每篇文章里都包含方程的不同版本，而且全都是錯的。如果一個人沒有勇氣發(fā)表錯誤的東西，他就成不了愛因斯坦。

1915年，方程終于有了正確的版本。在隨后的幾十年里，這些方程征服了物理學家，使他們修正了關于空間和時間性質的觀點，認識到在山上的時鐘比在平原上的時鐘走得快，宇宙在膨脹，世上存在空間波，諸如此類。我們今天用來研究宇宙的方程，或許是物理學中最美麗的方程。

接下來，我們將與這些方程建立緊密而復雜的關系。它們將成為我們的向導，就像《神曲》里的維吉爾之于但丁那樣，因為這些方程以最好的方式概括了我們對空間、時間和引力的理解。它們是我們用來理解這一切的工具。它們告訴我們在黑洞邊緣和黑洞內部會發(fā)生什么。它們告訴我們什么是白洞。它們?yōu)槲覀冎该髁舜┰狡婢暗穆贰５?，我準備講述的故事另有目的，我想走到這些方程不再起作用的地方，看看會發(fā)生什么。我想走到需要拋棄這些方程的地方?？茖W就是這樣。

在故事的中途，我們不得不脫離這些方程提供的令人心安的指引，接受更甜蜜之物的誘惑。但丁在他旅程的中途也是如此：他離開了維吉爾，被更甜蜜的事物俘獲。

讓我們回到施瓦西。他在給愛因斯坦的信中得出的解，如今已被寫入所有大學的教科書中。這個解描述了空間和時間如何在質量體（例如地球或太陽）周圍發(fā)生變化。是引力的作用使空間和時間彎曲（我稍后將對此做進一步闡釋）。正是這種空間和時間的彎曲導致物體向地球墜落，行星圍繞太陽旋轉。這就是引力背后的原理。

施瓦西研究的問題是，在地球或太陽這般質量的物體周圍，物體是如何受其引力影響而運動的。三個世紀前，牛頓正是通過對這個問題的研究，為現代科學開拓了道路。愛因斯坦和施瓦西糾正了牛頓的錯誤，改進了牛頓關于物體如何圍繞質量體運動的預測。

然而，施瓦西找到的解不僅對行星的運動做了一些微小的修正，還預言了一些全新的、非常奇怪的東西。如果質量體極其緊密，其周圍就會形成一層外殼，一個球形表面。在這里，一切都會變得奇異無比：靠近每個質量體時都會變慢的時鐘，在這里甚至會停下來。時間靜止了，它不再流逝?？臻g會沿著質量體的方向延伸，仿佛一個長長的漏斗。而在這個奇異的球形表面上，空間的延伸變成了空間的撕裂，緊靠著它的點已經無限遙遠。

靜止的時間，撕裂的空間……這一切聽起來既離奇又不著邊際。愛因斯坦理所當然地得出結論：“這不合理，這種荒謬的表面在現實中不可能存在?！?/p>

事實上，經過計算，我們可以發(fā)現，要形成這樣一個表面，我們就必須以極端的方式擠壓一個質量體。例如，如果要在地球周圍形成這樣一個表面，我們就必須把整個地球擠壓到一個乒乓球的大小！簡直荒謬。愛因斯坦總結道：“這一切毫無意義，你不可能把質量體壓縮到足以形成這種奇異外殼的程度。”

但是他錯了。他對自己的方程沒有足夠的信心，他沒有勇氣相信自己理論的奇特暗示。我們現在已經知道，被壓縮到這種程度的質量體是存在的。天空中存在著億萬個這樣的質量體，它們就是黑洞。

天文學家已經發(fā)現了一些尺寸達到幾公里的黑洞，還有像整個太陽系那么大的黑洞。理論上可能也存在小型黑洞（跟乒乓球一樣大）或者極小的黑洞（像頭發(fā)絲一樣輕），但是到目前為止，我們還沒有觀測到任何小型黑洞。

天空中絕大多數可被觀測到的黑洞都源自燃燒完的恒星。它們都是大型恒星，非常重，如果不是因為在燃燒，它們的重量甚至會把自身壓碎。恒星燃燒自身的主要成分氫，把氫變成氦。燃燒產生的熱量會產生一種壓力，抵消恒星的重量，避免它被自己的重量壓碎。就這樣，恒星能夠持續(xù)存在數十億年。

然而，沒有什么事物是永恒的。最終，氫消耗殆盡，全部變成了氦和其他無法燃燒的灰燼，此時的恒星就像一輛耗盡了汽油的汽車。恒星的溫度下降，重量開始占據上風。在引力的作用下，恒星粉身碎骨。

大型恒星的引力極大，哪怕最堅硬的巖石也無法承受。沒有任何東西能阻止恒星的坍縮，于是恒星沉入了它的視界。一個黑洞形成了。

《白洞》，[意]卡洛·羅韋利著，湖南科學技術出版社2024年4月。