[비즈한국] 黑洞是宇宙中最宏大且深邃的秘密。如果進入黑洞會發生什麼？宇宙中最大的黑洞有多大？此外，在黑洞的話題中，有一個關鍵詞總是如影隨形，那就是白洞。
黑洞，直譯就是“黑色的洞”。而與其概念恰恰相反的“白色的洞”，就是白洞。人們通常把黑洞想象成游泳池底部敞開的排水口，認為它是時空中存在的、會無差別吞噬周圍一切事物的排水口。自然而然地，這樣的疑問便隨之而來：如果黑洞是吞噬一切的存在，那麼被吞下去的東西都去哪兒了？就像有進食的嘴，也應該有排洩的地方，黑洞吞噬的物質最終是否也應該從某個地方排出來？許多人因此想象白洞是黑洞的對立面，認為它不是吞噬一切，而是向外噴湧。
黑洞的存在很早就被預測出來，科學家甚至利用全球各地的射電望遠鏡確認了它的真實影像。但白洞則不同，迄今為止，還沒有觀測到白洞的例項。甚至有相當多的天文學家和物理學家對白洞是否真的存在持懷疑態度。
如果白洞真的存在於宇宙中，只是我們還沒發現它，那麼我們該尋找什麼？該看向哪裡呢？乍一想，既然它是與黑洞相反、向外噴湧所有物質和能量的存在，那麼尋找那些向四面八方噴射巨大能量的超亮天體不就行了嗎？但這正是我們最容易犯的錯誤。如果你想尋找白洞，千萬不要去尋找閃閃發光的地方。
首先，讓我們思考一下黑洞的奇點。宇宙中最常見的普通黑洞，是由質量比太陽大幾十倍的恆星在演化結束時迅速坍縮而成的。很多人認為大質量恆星在最後時刻發生超新星爆發後，中心留下的殘渣就是黑洞，但這並非全貌。當完成核聚變的恆星中心部坍縮時，包括中微子在內的高能粒子會向四面八方迅速噴射。此時，由於大量能量向外散射，會與外部正在同時坍縮的恆星外殼碰撞，最終外殼物質受反衝作用而迅速向外飛散，這就是我們看到的超新星爆發。
因此，超新星爆發後，中心會留下中子星。如果最初坍縮的恆星中心質量過大，連內部溢位的高能粒子之力也能壓制住，那麼恆星就不會發生任何爆發，而是整體直接坍縮成一個點。這就是恆星死亡後留下的黑洞。
總結來說，並非所有超新星爆發後的殘骸都是黑洞，恆星死亡後會面臨兩條路：要麼發生超新星爆發，要麼不發生爆發直接整體坍縮為黑洞。
這樣形成的黑洞，實際上是坍縮恆星的全部質量幾乎都匯聚在一個點上。根據愛因斯坦的相對論，時空會因質量而彎曲、扭曲。質量越重，時空扭曲得越厲害。而在引力強的地方，即空間扭曲得更嚴重的地方，時間流逝得越慢。
由於黑洞的引力極強，我們可以設想一種極端情況。在距離黑洞適當遠的地方，時空扭曲程度尚未達到極致，只要能獲得足夠的速度，就可以避開黑洞的牽引從而成功逃脫。但若過於靠近黑洞，情況就很危險了。時空扭曲得太深、太陡峭，要逃脫那種陡峭的時空曲率，速度必須超過光速。換句話說，宇宙中最快的光也無法從黑洞的引力中逃脫。
黑洞周圍那道光都無法逃脫的邊界，被稱為“事件視界”。愛因斯坦的相對論很早就預言了這種極端情況，但愛因斯坦本人起初並不接受“連光都無法逃脫”的黑洞概念。可以說，即便是愛因斯坦，起初也無法純粹地接受數學所揭示的宇宙真理。
現在，假設我們進行一次穿越事件視界、深入黑洞中心的旅行。如果飛船足夠堅固、不會破碎，我們坐在裡面會感受到什麼變化呢？令人驚訝的是，我們什麼變化都不會感覺到。無論是在遠離黑洞的普通宇宙中漂浮，還是驚險地在事件視界邊緣徘徊，甚至是跨越事件視界進入內部，對我們而言，時間依然在照常流逝。
只不過，如果有人在遠處觀察接近事件視界的我們，他們眼中看到的景象將完全不同。在他們看來，我們的飛船會逐漸減速，最終在抵達事件視界的那一刻彷彿凍結一般，時間似乎永遠靜止了。這就是相對論中奇妙的部分：無論我做什麼、身處何地，我眼中的自身時間總是正常流逝，只有在其他觀察者看來，我的時間才顯得不同。
為了便於理解，我們將三維時空降維到二維平面。黑洞可以被看作是不斷向深處挖掘的二維時空坑洞。隨著時間流逝，黑洞會不斷把這個時空坑洞挖得更窄、更深。雖然看起來深不見底，但這並非無限延伸，只是隨著時間推移，不斷快速向下延伸而已。
在坑洞的最底層，依然存在著自身坍縮形成黑洞的那顆恆星！然而，演化完成的恆星明明在幾秒內就會瞬間坍縮消失，那麼黑洞為何能存在這麼長時間呢？
這正是相對論的時間魔法所在。在事件視界之外我們所居住的世界，雖然只流逝了很短的時間，但在事件視界深處，對黑洞而言卻流逝了漫長得多的時間。也就是說，黑洞的奇點並不在現在，而是在未來，即比現在更久遠的某個時間點。
那麼，坍縮的恆星會真的永遠坍縮下去嗎？義大利物理學家卡洛·羅韋利提出了一個不同的模型。坍縮的恆星在不斷縮小，當達到量子力學所允許的最小尺度——即所謂的“普朗克尺度”時，坍縮可能會停止。如果坍縮的恆星突然停止坍縮，接下來會發生什麼？就像掉在地上的球會反彈一樣，坍縮的恆星達到極限後也會迅速反彈。這僅僅是愛因斯坦廣義相對論中黑洞形成過程的時間方向反轉而已。也就是說，如果黑洞的形成過程保持不變，僅僅將時間流向完全顛倒，我們就能極其簡單地造出一個白洞。
那麼，深入普朗克尺度的時空坑洞底部，恆星殘骸如何能瞬間扭轉時間流向並變身為白洞呢？羅韋利在這裡引入了量子力學微觀世界中非常通用的現象，即“量子隧穿效應”。當達到極小的量子力學尺度時，所有存在都會表現出更強的波動性，甚至可以穿透牆壁到達另一側，這就是量子隧穿效應。
即便是像太陽這樣的普通恆星內部，質子們本應互相排斥，但在碰撞並結合成更大團塊的過程中，量子隧穿效應能幫助它們突破排斥力實現結合。同理，如果黑洞坑洞中坍縮的恆星經歷量子隧穿效應，它就可能瞬間進入時間倒流的白洞形成過程。
進入黑洞的事件視界後，會不斷向坑洞深處墜落，無法逃離。相反，事件視界之外則無法進入白洞。那麼，利用這種差異，透過觀測來證明與黑洞不同的白洞是否存在可能嗎？也就是說，從我們居住的宇宙外部來看，黑洞和白洞有什麼不同？
令人困惑的是，它們沒有區別！乍一聽這可能很奇怪。假設有人在遠處觀察你接近黑洞和白洞事件視界的過程。在黑洞的情況下，你會直接跨過事件視界進去，並不斷向內部的黑洞墜落。而在白洞的情況下，由於無法進入事件視界內部，你最終會停留在白洞的事件視界邊緣。
那麼這種差異最終難道不會從外面看出來嗎？答案是不會。不是說過黑洞周圍的時間會越來越慢，最終在事件視界處永遠靜止嗎？結果無論是黑洞還是白洞，如果有人在遠處觀察抵達事件視界邊緣的你，你看起來都像是凍結在那道邊界上，永遠靜止不動。沒有任何區別！
這正是白洞的微妙之處。在事件視界內部，黑洞與白洞發生的現象確實完全相反，但兩者的差異僅存在於事件視界之內，在外部世界則毫無差別。
那麼，經歷過坍縮、普朗克尺度以及量子隧穿效應反彈而變身為白洞的黑洞，會永久存在直到宇宙毀滅嗎？
應該不會。物理學家史蒂芬·霍金已經對黑洞的結局做出了明確預測。在黑洞的事件視界邊界，負能量流入黑洞，導致黑洞彷彿向四面八方釋放粒子，這就是“霍金輻射”的蒸發過程。這類似於帶溫物體散發熱量的熱輻射。而熱流正是宇宙中時間最終向一個方向流動的唯一線索。雖然在事件視界內部，愛因斯坦方程中的時間反轉使得白洞的誕生成為可能，但從宇宙外部來看，黑洞最終也難逃作為時間的奴隸，透過緩慢蒸發而減輕質量的宿命。
對身處事件視界之外的我們而言，這一整個過程似乎需要極其漫長的歲月，但在事件視界內部，一切都在瞬間完成。從整顆恆星坍縮到經歷普朗克尺度並最終變為白洞，只需轉瞬即逝的極短時間。但在這期間，外部宇宙可能已經過去了數十億年。羅韋利這樣說道：
“普朗克星的反彈是通往未來的一條捷徑。在外部看來，漫長的歲月正在緩慢流逝，而那是一個可以暫時安全躲藏的路徑。”
如果接受這一假說，我們還可以想到一個更驚人的可能性。試想一下，經歷漫長歲月後形成的白洞會是什麼樣子。最終透過霍金輻射失去大部分能量和質量的普朗克星，從外部看，不過是隻釋放微弱能量的小團塊。雖然其內部可能存在著向未來無限延伸的廣闊世界，但最終到達終點的白洞，會留下物理上所能存在的最小質量，即“普朗克質量”。由於事件視界的大小不能小於普朗克尺度，所以白洞最終只能輕到這種程度。這幾乎只有一根髮絲的質量。
如果在大爆炸後的初期宇宙中，大量暗物質團塊收縮並形成了無數原始黑洞，且其中大部分至今仍在緩慢減少質量，最終留下了僅有一根髮絲大小的白洞呢？就像我房間裡到處飄浮著白色貓毛一樣，或許這些不足0.1克的細小白洞碎片正漂浮在宇宙各處。儘管單個白洞的質量微不足道，小到看不見，但如果數量多到數不清，它們或許就佔據了宇宙總質量的相當大一部分。或許，我們至今仍未精準捕捉其身份的暗物質，真面目正是漂浮在宇宙空間中的無數白洞碎片？
作者池雄培（音譯）是？熱愛貓咪與宇宙。童年因觀看《銀河鐵道999》而夢想著向世界傳播宇宙之美。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過星系相互作用而產生的演化，並進行演講及寫作等多樣化的科學傳播活動。著有《曖昧天文臺》、《整天思考宇宙》、《星，光的科學》等書籍。