白洞和黑洞产生原理有什么不同?

【专家解说】：有人说黑洞的出口就是白洞 白洞综述 (一)白洞导论： 黑洞作为一个发展终极，必然引致另一个终极，就是白洞。其实膨胀的大爆发宇宙论中，早就碰到了原初火球的奇点问题，这个问题其实一直困扰著科学家们。这个奇点的最大质量与密度和黑洞的奇点是相似的，但他们的活动机制却恰恰相反。高能量超密物质的发现，显示黑洞存在的可能，自然也显示白洞存在的可能。如果宇宙物质按不同的路径和时间走到终极，那么也可能按不同的时间和路径从原始出发，亦即在大爆发之初的大白洞发生后，仍可能出现小爆发小白洞。而且，流入黑洞的物质命运究竟如何呢？是永远累积在无穷小的奇点中，直到宇宙毁灭，还是在另一个宇宙涌出呢？如果黑洞从有到无，那白洞就应从无到有。60年代的苏联科学家开始提出白洞的概念，科学家做了很多工作，但这概念不像黑洞这么通行，看来白洞似乎更虚幻了。问题是我们已经对引力场较为熟悉，从恒星、星系演化为黑洞有数理可循，但白洞靠什么来触发，目前却依然茫然无绪。无论如何宇宙至少触发过一次，所以白洞的研究显然与宇宙起源的研究更有密切的关系，因而白洞学说通常与宇宙学结合起来。人们努力的方向不在于黑白洞相对的哲学辩论，而在于它的物理机制问题。从现有状态去推求终末，总容易些，相反的从现有状态去探索原始，难免茫无头绪。 (二)白洞起源： 白洞学说出现已有一段时间，1970年捷尔明便提出它们存于类星体、剧烈活动的星系中的可能性。相对论和宇宙论学者早已明白此学说的可能性，只是这与一般正统的宇宙观不同，较不易获得承认。某些理论认为，由于宇宙物体的激烈运动，或者星系一部喷出的高能小物体，它们遵守著克卜勒轨道运动。这是一种高度理想化的推测，亦即一个地方有几个白洞，在星系核心互相旋转，偶然喷出满天星斗。喷出的白洞演化成新星系。而从星系团的照片中可观察到一系列的星系由物质连接起来。这显示它们是由一连串剧烈喷射所形成的。照此来说，白洞可能会像阿米巴原虫一样分裂生殖，由分裂而形成星系。然而这又和目前的理论相违背。从此看来，就是星系生成也有不同见解。有的天文学家便提出并接受宇宙之初便有不均匀物质的结块，而其中便包含了白洞。宇宙向最初奇点收缩，星系、星系群都同一动作，这当然和黑洞的奇点相似。宇宙的不同区域，其密度皆不同，收缩时首先在高密度的地方，达到了黑洞的临界密度，从此消失在事界之后，宇宙不断收缩，使不断出现高密奇点。宇宙成为大量黑洞及周围物质的集合体。然而事实上，宇宙是膨胀而非收缩的，因此它是白洞而不是黑洞。在宇宙整体性源始的大奇点中存在著密度高的小质点，它们随著膨胀向四面八方扩散，大白洞大量爆发生出小白洞。星系等不均匀物体，正是由它生成的。不均匀物体之所以易和黑洞拉上关系，皆是因为它和膨胀现状相对称的宇宙中局部收缩的过程。目前宇宙中黑洞和白洞的存在是并行不悖的，是过程的两个端点而已。黑洞奇点是物质末期塌缩的终点，白洞物质的奇点是星系的始端。只不过各过程不是同时，而是先后交错的。 (三)白洞的喷发： 有关于白洞的资讯，目前并不多。所以我们对白洞的喷发并不十分了解。白洞的喷口的来历并不清楚，一如大爆发原因不明。奈里卡在1975年论述了许多使天文学家感觉困扰的问题和白洞的数学联系，这是相关重要的。在喷发中白洞存在的前提下。外部观测者可以探测到蓝移所致的不同辐射源的频谱。大爆发的初期状态所遵循的爱因斯坦宇宙论方程式同样可施于探索星系规模膨胀系统的未爆核状态，但奈理卡使用了方程式时结合了过程的物理项。白洞向外爆发的时间极短，这一瞬的过程当然很难说明，但白洞所产生的电磁辐射市可计算的。观测到的爆炸光谱的最大特征，是最初以高能辐射为主体，不久就显示出低能辐射。辐射若是由白洞产生，这现象就很自然了辐射能愈高，蓝移也愈大，所以最初可见光也都移到紫外区了。他还计算了银河系中偶然的小规模爆发现象，说明了银河内小白洞随时爆发的可能性。例如短期间活动的银河内X-ray，剧烈的最高能量最先到达，其后能量下降，整体按幕函数递减在光谱中显示出来。这和白洞理论计算是一致的。各X-ray之间，光谱不尽相同，不过这差异可从白洞对自己产生的电磁辐射产生畸变说明。因为白洞内产生的辐射可能有黑体辐射(微波以下噪音)、自由辐射(带电粒子间相互作用产生)、同步辐射(带电粒子在强磁中通过而产生)等不同形态。人造卫星偶然观测到的突发r射线，可以白洞影响说明；宇宙射线背景高能粒子的生成，也可以认定是白洞喷发的物体。 黑洞综述 究竟什么是黑洞?黑洞是由具有极大质量的超巨星在塌陷时所形成的，恒星的核心在本身重量的影响下非常快速的收缩，并释放出强劲的暴发能量，如果核心物质大的使塌陷无限地继续下去，便产生了黑洞，在重力巨大的挤压下，所留下的物质有难以想像的高密度。由于黑洞的质量非常大，使得它们具有强大的重力场，这些力量大的连光线也无法逃出它的手掌心，这也就是为什么它要叫做黑洞的原因了，在它的边界内你看不到任何东西。 (一)黑洞导论： 「黑洞」，顾名思义就是一个漆黑的洞。因其引力过强，以至于连自己发出的光线都无法由其中逃脱而出。就连光线由外射入 ，也像射入无底洞。然而大质量塌缩的恒星是如何到达此情境的呢?试想一物体于一塌缩星的表面，随著恒星塌落而凝缩，不停的靠向中心，重力愈来愈强。(天体的重力离中心愈近愈大)而恒星愈收缩，要离开它的表面速度要求愈大。当恒星塌缩到到光速时，已几乎无任何物体可逃脱而出。(根据爱因斯坦相对论而言，光速是所有物体速度的极限，几乎没有任何物体的速度会超过光速。)而塌缩到光速都无法逃出时，任何物体都不可能再从黑洞中出来。当恒星塌缩到此一境界时，这时黑洞所呈现的半径就称为「史瓦西半径」。假设地球也做如此的塌缩，那此时地球的史瓦西半径就为一厘米宽。但恒星并非一定凝缩到此程度才形成不可逃脱的表面。质量愈大，其史瓦西半径内的物质密度愈小。如质量是太阳一亿倍的，缩到水的密度便达到史瓦西半径了。 (二)黑洞与相对论： 在这里又谈到爱因斯坦的相对论。本来黑洞并非一定得由大质量的恒星演变而成， 只是一般星体不可能一下子缩到底。所以恒星演变成黑洞只有经由大质量塌缩这一途径。此结论已由相对论导出，至于黑洞与外界断绝关系，我们可以把其形状试想成细长瓶子状。进入瓶子的一切短程线，都只能按弧线落到其底部。因此形成禁锢的空间，任何物体都无法逃出。但这个禁锢空间对外界是开放的，只是进的去出不来而已，也就是它和外界相通只有单向性。这个禁锢空间的内外分界称为「事界」(Event horizen)，也就是史瓦西半径的界面，过了这界线，外界就无从得知了。内部的人最远只能到达史瓦西半径界面，亦即事界是他们世界的端点。而史瓦西界面是由史瓦西首先依据相对论所求出的解，后人便称之为史瓦西黑洞。然而其实事界的概念已先于爱因斯坦早存在，但他创见性的两点在于时空弯曲以及光速是一切物体运动的极限。 (三)宇宙深渊： 黑洞是一去不复返的深渊，但在靠近黑洞时，由于时间的延滞，会发生许多奇妙的事。黑洞旅行者穿越事界，按他的计时系统来说，只是很短的时间，但对远方的观测者来说，其结果却是恰恰相反。他看见愈近事界宇航员的身影愈薄，接近事界愈缓慢。火箭无限靠近事界，但总不能到达。外界的人看事界亦为如此，也是越塌缩越缓慢，形状也越朦胧，塌缩星就像是渐渐凝住了所以以前把这现象叫做「塌缩星凝止」。凝止的界面就称为「凝止界面」(Static limit)。而当塌缩接近事界时，星光迅速黯淡。对于太阳质量十倍的星，就在凝止那一刹那，在百万分之四秒内全部化为乌有。所以我们无从得知黑洞是如何形成的。然而黑洞周围的时空弯曲的性质，对人的寿命有特殊影响。它周围的时间进度缓慢，也许这可以做为一种变时机制，勇敢涉足于事界边缘也许可以不老不死。但在黑洞的边缘要求很大的加速度。愈靠近黑洞，要求的加速度越大，时间延滞也越厉害。 (四)黑洞与时间： 在我们的世界中，空间是自由的，你可以随意上下左右移动；但时间只有一个方向，你不能使时光倒流。靠近事界时，时间进程减缓了，但是方向没有改变。而在事界中，则恰恰相反，我们不能在空间自由行动了，但却可在时间上后退。黑洞中的物体毫无办法的向下落，亦即绝对不停止的冲向黑洞中心。在外界不断向时间的一方流逝，在事界却变为不断的向中心走去，舍此别无它途。我们每个人都有自己的内在"时钟"，这时钟和某人一起行动，其时刻便称为他的「本位时」(Proper time)。由于各种原因，各人的本位时皆不同。只是地球上的本位时差太微小了，所以大家可以校准，但靠近事界的人和远方的人本位时去却相差很多。由于运动系统时间的延滞，不同速度的系统时间就相异了。靠近黑洞时的强引力，相对于周围世界产生加速度，同样也就有时间延滞。光的红位移亦可表明此一效应。光有能量，也就是有质量，一样受到引力场的作用，它要克服事界的巨大力量，一定付出能量的代价。光的能量由频率决定，越靠近事界的光，跑出黑洞范围的频率越跌落的厉害。如果以光的脉动来做计时装置，那么愈靠近事界处的钟就走的越慢。 (五)黑洞的利用： 物理学家把有序的相反概念，也就是无序状态叫做熵(Entropy)。 一个封闭的物质世界系统，无论甚么物理变化，全熵量即无序的总量绝不减少，这称热力学第二定律。最后熵达到最大而成平衡状态，这就是所谓的热寂，这时到处能量分布相同，宇宙再也活不起来了。没有运动，也就是没有时间，宇宙就不存在了! 引力能的熵比核能以及热运动能的熵小得多，通常引力场绝非无序的。但黑洞把通常共存物体吞噬进去，就使黑洞失去多样性而趋于统一，于是就包含一定的熵，把黑洞引力场转为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，投入极大量的无序的东西到黑洞中，岂非全体熵减小了。这就和热力学第二定律相违背了。而黑洞的引力能，可看为存于表面，恰如水滴表面张力那样的表面能。如果给水滴补充能量，它就会激烈震动而分裂。因为面积不够容纳更大的能量。同样的，如果对黑洞施以能量，类似的理由它会震动，用引力波放走能量，因为它不能分裂。它的表面积依然和初始界面表面积一样，亦即表面积不能减少，这可称为「不减能」。黑洞一形成，对应的表面积就是永远不可减。再来谈到若黑洞自转或带电的话，其塌缩星的能量便对应增加。因为各个电场互相排斥，要合成一体必须作功。所以电荷凝缩伴随著电场能量的储存。以后吸收等量反符号电荷，变成中性，就等于把储存的能量放出。事实上，塌缩星的全部能量包含了寄存的电量。而黑洞有不可减表面能量、自转能量、电场能量三种。自转能和电场能不是以熵的形式寄存的。旋转速度降低、电荷中性化，就可送出能量，所以只有表面能是熵性的。 但要如何获得其能量呢?在这里提供了「弹道法」。它是把物体射入能层，让它分裂为二。一个跌进了事界，一个抛了出来，而跑出的便带走了能层的能量。