黑洞，白厅，什么是虫洞什么样的？

什么是黑洞？

可能没有其他天体像黑洞那样出名，但其真实形态却无人知晓。

例如，2014 年的电影《星际穿越》描绘了一个非常现实的黑洞，2009 年的电影《星际迷航》描绘了一颗被黑洞吞噬的行星。很多人可能在图鉴中看过黑洞的插图，看起来像一个带有黑洞的甜甜圈。

然而，在制作这些图画书和电影时，没有人真正见过黑洞的真实面貌。人类第一次看到黑洞是在 2019 年 4 月，此前出现在插画书和电影中的黑洞都是想象出来的。

黑洞是一个什么样的天体？黑洞是一种天体，其中极大量的物质被挤压到极小的区域中。正因如此，它的引力如此之强，可以将一切都吸进去，就连光也无法逃逸。正因为如此，它被称为“黑洞”，因为它是“黑色的”并且将一切都吸进去（图1）。

[图1]黑洞图解
©wallhere

导致黑洞研究的想法诞生于 18 世纪。当时，法国科学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749-1827）和英国天文学家约翰·米切尔（John Mitchell，1724-1793）分别根据牛顿力学的万有引力定律推论，如果光也受到万有引力的影响，那么光就不可能从引力极大的天体中逸出，这样的天体是可能存在的。然而，这个想法在当时并没有被接受并被遗忘。

后来，在20世纪，类似的关于天体的想法再次被提出。对此的推动者是著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）。

1915年，爱因斯坦宣布“广义相对论”后不久，德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild，1873-1916）研究了构成广义相对论基础的爱因斯坦方程，发现当某个空间中存在质量极大的天体时，该空间本身会因重力而扭曲，形成一个特殊的球形区域，称为“ “史瓦西半径。”结果表明，光由于重力而被吸引到靠近该区域的区域，并且光无法在该区域内逃逸。这被称为“史瓦西解”，是第一个表明黑洞存在的理论研究。

即使在这项研究公布时，人们仍然坚信这样的天体只存在于数学公式中，也就是说，它们只是理论理论，实际上并不存在。

然而，随着对恒星如何诞生、演化和死亡的研究不断深入，此类天体可能存在的可能性开始出现，并逐渐被天文学家所接受。

例如，1930 年，印度天文学家 Subramanian Chandrasekhar（1910-1995）发现了一颗白矮星^*1的质量有一个上限。 （图2），并宣布大于一定质量（钱德拉塞卡质量）的恒星不能以白矮星的形式存在，特别大质量的恒星可以被自身引力压碎，变成黑洞。

[图 2] 螺旋星云是一个距离地球约 700 光年的行星状星云。中心有一颗白矮星。
©Pixabay

另外，1939年，美国物理学家罗伯特·奥本海默（1904-1967）等人提出，质量极大的恒星不仅可能是白矮星，也可能是当时提出的“中子星”。^*2''，而如果超过一定限度，它就会在自身引力作用下继续收缩（引力塌缩），成为黑洞。

顺便说一句，大约在1967年左右，这些不断坍缩的引力体开始被称为黑洞，据说这个名字最早是由爱因斯坦的朋友约翰·惠勒（John Wheeler，1911-2008）创造的，他是一位以中子星和引力坍缩研究而闻名的美国物理学家。

我发现一种叫做黑洞的天体很可能存在。然而，由于黑洞是在极小的区域内含有极大量物质的天体，因此它们的体积极小，很难用望远镜直接看到。黑洞只不过是理论研究的课题，利用物理和数学的公式来了解它们是什么样的天体，它们是如何诞生和存在的，以及它们的周围和内部是什么样的。

证明黑洞存在的挑战

令人沮丧的局面于 1972 年结束。对天体天鹅座 X-1 (Cyg

我们怎么知道这个天体是黑洞？关键是捕获黑洞周围气体和恒星发出的光、无线电波和 X 射线。

之前的研究表明，被吸入黑洞的物质在黑洞周围形成一个称为“吸积盘”的盘状集合。因此，当我们观察圆盘中所含气体发射的特定波长的无线电波时，无线电波的多普勒效应^*3此外，快速旋转的物体会受到强大的离心力的作用，但即使该圆盘以极高的速度旋转，也不会因离心力而飞走，这一事实表明，一个非常巨大的天体（即黑洞）位于该圆盘的中心，它以足以克服离心力的引力强烈吸引该圆盘。这样就间接证明了黑洞的存在。

[图3]天鹅座X-1 (Cyg X-1) 中黑洞的艺术家印象
©欧空局/哈勃

此外，2015 年，研究人员成功捕获了黑洞合并时产生的“引力波”。对这些引力波的观测为黑洞的存在提供了间接证据，同时利用引力波进行观测和研究（引力波天文学）作为研究黑洞的新手段而备受关注。

虽然我们现在几乎毫无疑问地知道黑洞的存在，但我们只能间接观察它们，而我们还无法直接观察黑洞本身。从那时起，黑洞就变得像甜甜圈一样，里面有黑洞，但这并不是黑洞本身，而是黑洞周围形成的吸积盘发出的光或无线电波的图像，或者是根据该数据创建的假想图像。

然而，世界各地的天文学家都在努力寻找黑洞存在的直接证据，这个黑洞应该位于黑洞的中心。当然，黑洞本身非常小，很难直接看到。天文学家认为，“如果黑洞周围有像发光气体这样明亮的东西，那么黑洞应该看起来很暗，就像阴影一样。”这被称为“黑洞阴影”，可以从爱因斯坦的广义相对论中得出。这个黑洞影子也极其微小。因此，科学家和工程师联手夜以继日地进行研究和开发，创造了一台具有高视敏度的望远镜，可以让他们看到最微小的细节。

2019 年 4 月 10 日，宣布事件视界望远镜 (EHT) 成功拍摄到世界上第一张黑洞阴影图像（图 4）。

此时拍摄到的是M87中心的超大质量黑洞，M87是处女座星系团中的一个巨大椭圆星系，距离地球5500万光年，质量是太阳的65亿倍。

EHT 的工作原理是连接位于夏威夷、智利和南极洲等世界各地的射电望远镜，并将它们移动到一起以创建一个伪地球大小的望远镜。这使得 EHT 能够达到前所未有的灵敏度和分辨率水平。这相当于人类视力惊人的300万视力，据说从地球上就可以看到放在月球表面的高尔夫球。

因此，通过使用具有极高视力的地球大小的望远镜，黑洞的存在被直观地、直接地证明了。此外，它的外观与天文学家想象中的黑洞以及电影中描绘的甜甜圈形状一模一样，证实了之前研究的有效性。不仅如此，未来的进一步观测将使我们将黑洞研究推进到一个新的水平。

[图 4] 历史上首次由事件视界望远镜 (EHT) 拍摄到的黑洞
图片来源：EHT 协作

什么是白洞和虫洞？

顺便说一句，如果黑洞是一个可以吸入任何东西的天体，那么它吸入的东西到底会发生什么？

一段时间以来，人们对此进行了各种讨论，一些人认为物质所拥有的信息，例如其形状、类型和属性，将会丢失，而另一些人则认为它将以某种形式保存下来。例如，著名理论物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking，1942-2018）就是这个问题最热心的研究者之一，他曾声称信息不守恒，甚至与其他科学家打赌这是否属实。此后，其他科学家提出的研究结果表明黑洞是“保存下来的”，而霍金也通过验证证实了这一点，因此现在许多科学家相信“有关被吸入黑洞的物质的信息以某种方式保存下来”。

然而，这个问题尚未完全解决，即使在2018年霍金去世后，继承他遗志的世界各地科学家仍在继续研究。

如果你进一步思考，就会出现一个问题：被吸入黑洞的物质去了哪里。

一些研究人员认为，通过求解爱因斯坦方程，可以想到“白洞”的存在，白洞是一种天体，会发射出被黑洞吸入的物质，尽管这只是一个数学公式。第一个提出这种可能性的人是1964年的苏联（俄罗斯）天文学家伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov，1935-）。

如果这样的天体存在，就会有这样的想法，比如它位于黑洞后面并通过类似隧道的区域与其相连，白洞外面有一个黑洞，或者白洞和黑洞可以被认为是同一个东西，因为白洞喷射出的任何东西都会立即被外部黑洞吞噬。

[图 5] 被认为连接黑洞和白洞的虫洞假想图
©Pixabay

此外，被黑洞吞噬的物体穿过的类似隧道的区域被称为“虫洞”（图 5）。虫洞的存在也尚未得到证实，但已证明它们可以作为求解广义相对论爱因斯坦方程的结果而存在。

寻找黑洞和白洞的挑战

白洞和虫洞都尚未被证实存在，只能根据数学公式来确定，许多天文学家认为它们实际上并不存在。

但是，如果有的话会是什么样子呢？找出如何观察它的挑战仍在继续。

例如，2006年，有一种理论认为，美国国家航空航天局（NASA）X射线太空望远镜“Neil Gehrels Swift”捕捉到的名为“GRB 060614”（图6）的伽马射线爆发可能是白洞的痕迹。

伽马射线爆发是电磁波的一种，是在几秒到几小时的时间内发射大量伽马射线（高能光）的现象。其背后的确切机制尚不清楚，但人们认为，当超大质量恒星在其生命末期爆炸为超新星并形成黑洞时，就会发生这种爆发。也就是说，它是上述间接观测黑洞的方法之一。

在发现GRB 060614之前，人们认为伽马射线暴有两种类型：持续几秒到几分钟的“长爆发”和持续不到两秒的“短爆发”。长爆发被认为起源于称为超新星的天体，超新星是当极大质量的恒星在其生命末期爆炸时产生的。事实上，当望远镜指向观察到长爆发的空间时，总是会发现超新星和超新星。

然而，虽然GRB 060614是一次长爆发，爆发时间为102秒，但没有检测到超新星。为此，人们认为这是一种全新类型的伽马射线爆发，并做出了各种预测和假设。 2011年，有人提出假设，认为这种现象是由102秒白洞引起的伽马射线爆发。

[图6]捕捉到神秘伽马射线暴“GRB 060614”的X射线太空望远镜“Neil Gehrels Swift”的艺术印象
©Spectrum 和 NASA E/PO，索诺玛州立大学，Aurore Simonnet

此外，观察虫洞的方法也正在建立中。 2011年，日本名古屋大学等人的研究小组发现了引力微透镜效应。^*4可以进行虫洞验证。

团队根据虫洞的预测特性研究了虫洞的微透镜效应。结果，虫洞的光变曲线^*5与普通恒星和黑洞不同，它被发现在其最大值之前和之后暂时变暗。这使得虫洞的探测与普通恒星和黑洞完全分开成为可能。

迄今为止的观测尚未发现任何类似虫洞的物体。不过，即使没有被探测到，这也只能说明虫洞并不多，但并不能立即否认虫洞的存在。如上所述，在黑洞的存在被证明之前，许多人怀疑它们的存在。

如果未来发现白洞或虫洞，毫无疑问，这将是值得诺贝尔奖的重大成就。更令人兴奋的是，白洞和虫洞的存在是实现“超光速导航”和“时间机器”的关键，“超光速导航”可以让我们以比光速更快的速度穿越太空，“时间机器”可以旅行到未来或过去。

作家

鸟岛慎也（鸟岛慎也）

太空发展评论家。太空作家俱乐部成员。

他对国内外太空发展进行研究，并撰写新闻文章和散文。报纸、电视、广播中也有很多评论。他的主要著作包括《Elon Musk》（合着，由 Yosensha 出版），他还为期刊和其他出版物撰写文章。

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