[비즈한국] 黑洞是宇宙中最宏大且深邃的秘密。如果进入黑洞会发生什么？宇宙中最大的黑洞有多大？此外，在黑洞的话题中，有一个关键词总是如影随形，那就是白洞。
黑洞，直译就是“黑色的洞”。而与其概念恰恰相反的“白色的洞”，就是白洞。人们通常把黑洞想象成游泳池底部敞开的排水口，认为它是时空中存在的、会无差别吞噬周围一切事物的排水口。自然而然地，这样的疑问便随之而来：如果黑洞是吞噬一切的存在，那么被吞下去的东西都去哪儿了？就像有进食的嘴，也应该有排泄的地方，黑洞吞噬的物质最终是否也应该从某个地方排出来？许多人因此想象白洞是黑洞的对立面，认为它不是吞噬一切，而是向外喷涌。
黑洞的存在很早就被预测出来，科学家甚至利用全球各地的射电望远镜确认了它的真实影像。但白洞则不同，迄今为止，还没有观测到白洞的实例。甚至有相当多的天文学家和物理学家对白洞是否真的存在持怀疑态度。
如果白洞真的存在于宇宙中，只是我们还没发现它，那么我们该寻找什么？该看向哪里呢？乍一想，既然它是与黑洞相反、向外喷涌所有物质和能量的存在，那么寻找那些向四面八方喷射巨大能量的超亮天体不就行了吗？但这正是我们最容易犯的错误。如果你想寻找白洞，千万不要去寻找闪闪发光的地方。
首先，让我们思考一下黑洞的奇点。宇宙中最常见的普通黑洞，是由质量比太阳大几十倍的恒星在演化结束时迅速坍缩而成的。很多人认为大质量恒星在最后时刻发生超新星爆发后，中心留下的残渣就是黑洞，但这并非全貌。当完成核聚变的恒星中心部坍缩时，包括中微子在内的高能粒子会向四面八方迅速喷射。此时，由于大量能量向外散射，会与外部正在同时坍缩的恒星外壳碰撞，最终外壳物质受反冲作用而迅速向外飞散，这就是我们看到的超新星爆发。
因此，超新星爆发后，中心会留下中子星。如果最初坍缩的恒星中心质量过大，连内部溢出的高能粒子之力也能压制住，那么恒星就不会发生任何爆发，而是整体直接坍缩成一个点。这就是恒星死亡后留下的黑洞。
总结来说，并非所有超新星爆发后的残骸都是黑洞，恒星死亡后会面临两条路：要么发生超新星爆发，要么不发生爆发直接整体坍缩为黑洞。
这样形成的黑洞，实际上是坍缩恒星的全部质量几乎都汇聚在一个点上。根据爱因斯坦的相对论，时空会因质量而弯曲、扭曲。质量越重，时空扭曲得越厉害。而在引力强的地方，即空间扭曲得更严重的地方，时间流逝得越慢。
由于黑洞的引力极强，我们可以设想一种极端情况。在距离黑洞适当远的地方，时空扭曲程度尚未达到极致，只要能获得足够的速度，就可以避开黑洞的牵引从而成功逃脱。但若过于靠近黑洞，情况就很危险了。时空扭曲得太深、太陡峭，要逃脱那种陡峭的时空曲率，速度必须超过光速。换句话说，宇宙中最快的光也无法从黑洞的引力中逃脱。
黑洞周围那道光都无法逃脱的边界，被称为“事件视界”。爱因斯坦的相对论很早就预言了这种极端情况，但爱因斯坦本人起初并不接受“连光都无法逃脱”的黑洞概念。可以说，即便是爱因斯坦，起初也无法纯粹地接受数学所揭示的宇宙真理。
现在，假设我们进行一次穿越事件视界、深入黑洞中心的旅行。如果飞船足够坚固、不会破碎，我们坐在里面会感受到什么变化呢？令人惊讶的是，我们什么变化都不会感觉到。无论是在远离黑洞的普通宇宙中漂浮，还是惊险地在事件视界边缘徘徊，甚至是跨越事件视界进入内部，对我们而言，时间依然在照常流逝。
只不过，如果有人在远处观察接近事件视界的我们，他们眼中看到的景象将完全不同。在他们看来，我们的飞船会逐渐减速，最终在抵达事件视界的那一刻仿佛冻结一般，时间似乎永远静止了。这就是相对论中奇妙的部分：无论我做什么、身处何地，我眼中的自身时间总是正常流逝，只有在其他观察者看来，我的时间才显得不同。
为了便于理解，我们将三维时空降维到二维平面。黑洞可以被看作是不断向深处挖掘的二维时空坑洞。随着时间流逝，黑洞会不断把这个时空坑洞挖得更窄、更深。虽然看起来深不见底，但这并非无限延伸，只是随着时间推移，不断快速向下延伸而已。
在坑洞的最底层，依然存在着自身坍缩形成黑洞的那颗恒星！然而，演化完成的恒星明明在几秒内就会瞬间坍缩消失，那么黑洞为何能存在这么长时间呢？
这正是相对论的时间魔法所在。在事件视界之外我们所居住的世界，虽然只流逝了很短的时间，但在事件视界深处，对黑洞而言却流逝了漫长得多的时间。也就是说，黑洞的奇点并不在现在，而是在未来，即比现在更久远的某个时间点。
那么，坍缩的恒星会真的永远坍缩下去吗？意大利物理学家卡洛·罗韦利提出了一个不同的模型。坍缩的恒星在不断缩小，当达到量子力学所允许的最小尺度——即所谓的“普朗克尺度”时，坍缩可能会停止。如果坍缩的恒星突然停止坍缩，接下来会发生什么？就像掉在地上的球会反弹一样，坍缩的恒星达到极限后也会迅速反弹。这仅仅是爱因斯坦广义相对论中黑洞形成过程的时间方向反转而已。也就是说，如果黑洞的形成过程保持不变，仅仅将时间流向完全颠倒，我们就能极其简单地造出一个白洞。
那么，深入普朗克尺度的时空坑洞底部，恒星残骸如何能瞬间扭转时间流向并变身为白洞呢？罗韦利在这里引入了量子力学微观世界中非常通用的现象，即“量子隧穿效应”。当达到极小的量子力学尺度时，所有存在都会表现出更强的波动性，甚至可以穿透墙壁到达另一侧，这就是量子隧穿效应。
即便是像太阳这样的普通恒星内部，质子们本应互相排斥，但在碰撞并结合成更大团块的过程中，量子隧穿效应能帮助它们突破排斥力实现结合。同理，如果黑洞坑洞中坍缩的恒星经历量子隧穿效应，它就可能瞬间进入时间倒流的白洞形成过程。
进入黑洞的事件视界后，会不断向坑洞深处坠落，无法逃离。相反，事件视界之外则无法进入白洞。那么，利用这种差异，通过观测来证明与黑洞不同的白洞是否存在可能吗？也就是说，从我们居住的宇宙外部来看，黑洞和白洞有什么不同？
令人困惑的是，它们没有区别！乍一听这可能很奇怪。假设有人在远处观察你接近黑洞和白洞事件视界的过程。在黑洞的情况下，你会直接跨过事件视界进去，并不断向内部的黑洞坠落。而在白洞的情况下，由于无法进入事件视界内部，你最终会停留在白洞的事件视界边缘。
那么这种差异最终难道不会从外面看出来吗？答案是不会。不是说过黑洞周围的时间会越来越慢，最终在事件视界处永远静止吗？结果无论是黑洞还是白洞，如果有人在远处观察抵达事件视界边缘的你，你看起来都像是冻结在那道边界上，永远静止不动。没有任何区别！
这正是白洞的微妙之处。在事件视界内部，黑洞与白洞发生的现象确实完全相反，但两者的差异仅存在于事件视界之内，在外部世界则毫无差别。
那么，经历过坍缩、普朗克尺度以及量子隧穿效应反弹而变身为白洞的黑洞，会永久存在直到宇宙毁灭吗？
应该不会。物理学家史蒂芬·霍金已经对黑洞的结局做出了明确预测。在黑洞的事件视界边界，负能量流入黑洞，导致黑洞仿佛向四面八方释放粒子，这就是“霍金辐射”的蒸发过程。这类似于带温物体散发热量的热辐射。而热流正是宇宙中时间最终向一个方向流动的唯一线索。虽然在事件视界内部，爱因斯坦方程中的时间反转使得白洞的诞生成为可能，但从宇宙外部来看，黑洞最终也难逃作为时间的奴隶，通过缓慢蒸发而减轻质量的宿命。
对身处事件视界之外的我们而言，这一整个过程似乎需要极其漫长的岁月，但在事件视界内部，一切都在瞬间完成。从整颗恒星坍缩到经历普朗克尺度并最终变为白洞，只需转瞬即逝的极短时间。但在这期间，外部宇宙可能已经过去了数十亿年。罗韦利这样说道：
“普朗克星的反弹是通往未来的一条捷径。在外部看来，漫长的岁月正在缓慢流逝，而那是一个可以暂时安全躲藏的路径。”
如果接受这一假说，我们还可以想到一个更惊人的可能性。试想一下，经历漫长岁月后形成的白洞会是什么样子。最终通过霍金辐射失去大部分能量和质量的普朗克星，从外部看，不过是只释放微弱能量的小团块。虽然其内部可能存在着向未来无限延伸的广阔世界，但最终到达终点的白洞，会留下物理上所能存在的最小质量，即“普朗克质量”。由于事件视界的大小不能小于普朗克尺度，所以白洞最终只能轻到这种程度。这几乎只有一根发丝的质量。
如果在大爆炸后的初期宇宙中，大量暗物质团块收缩并形成了无数原始黑洞，且其中大部分至今仍在缓慢减少质量，最终留下了仅有一根发丝大小的白洞呢？就像我房间里到处飘浮着白色猫毛一样，或许这些不足0.1克的细小白洞碎片正漂浮在宇宙各处。尽管单个白洞的质量微不足道，小到看不见，但如果数量多到数不清，它们或许就占据了宇宙总质量的相当大一部分。或许，我们至今仍未精准捕捉其身份的暗物质，真面目正是漂浮在宇宙空间中的无数白洞碎片？
作者池雄培（音译）是？热爱猫咪与宇宙。童年因观看《银河铁道999》而梦想着向世界传播宇宙之美。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过星系相互作用而产生的演化，并进行演讲及写作等多样化的科学传播活动。著有《暧昧天文台》、《整天思考宇宙》、《星，光的科学》等书籍。