Question

宇宙中三个极端的洞有什么不同？黑洞已现，白洞和虫洞在哪里？

Answer 1

黑洞、白洞、虫洞都是宇宙中的特殊极端存在，它们的共同点为：都是引力导致的极端结果，遵从爱因斯坦引力场方程（简称场方程），公式表述如下：

这个公式的推导过程很复杂，这里就不展开说了。虽然这三个“洞”都是由于引力场导致的，但性质却完全不一样。它们到底是什么，躲在哪里，分别了解这几个“洞”后就知道了。

黑洞简单地说，黑洞就是物质压缩到极限产生的一种奇异现象。理论上任何物质都有可能压缩到极限，从一个原子，到一个星球，只要压力足够大，都有可能成为一个黑洞。这个压力要多大呢？没有一个具体数值，但物质被压缩的极限是有公式计算的。

这个公式就是史瓦西半径公式，表述为：R=2GM/C^2。这里的R表示史瓦西半径，G为引力常量，M为物体质量，C为光速。这个公式是1916年天体物理学家卡尔·史瓦西，根据爱因斯坦刚发表不久的广义相对论中引力场方程推导出来的。

这个公式的意义就是，任何物质只要被压缩到自身质量的史瓦西半径以内，就会发生奇异变化：所有物质会无法避免地坠落到核心的奇点上，并以史瓦西半径为界形成一个球状空间，这个空间具有无限曲率，任何物质一旦进入这个空间就再也无法逃逸，只能坠落到中心的奇点上，连光也不例外。

这个史瓦西半径有多大呢？根据公式计算，一个氢原子质量约为1.674*10^-27kg（千克），其史瓦西半径就是约2.48*10^-54m（米）；地球的质量约为6*10^24kg，史瓦西半径约为8.9mm（毫米）；太阳的质量约为2*10^30kg，史瓦西半径就约为2964m。

科学家们认为，在大型强子对撞机中，通过接近光速的粒子对撞，巨大的压强有可能制造出原子级别的微型黑洞。这种想法还只是存在理论上，这种微小的黑洞目前尚未能捕捉到。理论上，宇宙大爆炸时期会留下许多微型黑洞，根据霍金辐射理论，原子级黑洞会瞬时蒸发，因此至今还没有发现这种微型黑洞。

宇宙中，已发现最小的黑洞在太阳质量3倍以上。这些黑洞都是大质量恒星在死亡时，内部发生热核失控，引发超新星大爆炸后，极端的压力将核心部分物质压缩到自身质量的史瓦西半径中，从而成为一颗黑洞的。

一般认为大于太阳质量30~40倍的恒星，死亡时会直接留下一颗黑洞。宇宙黑洞的形成原因，还有大质量天体的碰撞、吸积，超过质量临界点而坍缩形成。比如中子星通过吸积，质量超过奥本海默极限，就会被压缩成一颗黑洞。

理论上因为黑洞质量都在核心的奇点上，而那个奇点无限小，这样黑洞就被理解为体积无限小，密度无限大，曲率无限大，热量无限高。这4个无限的前提是体积无限小，才导致后面三个无限的出现。

黑洞曲率无限大，是指史瓦西半径内，其临界处又称为黑洞事件视界。所谓曲率就是质量导致周边时空的扭曲，表现为引力。在距离遥远的地方，其引力依然遵循万有引力定律，是与质量成正比与距离平方成反比的，与任何天体的引力是一样的。

由于黑洞史瓦西半径内引力无限大，任何靠近黑洞的物质都会被“吃掉”，有去无回，因此黑洞就会变得越来越大。现在宇宙中发现最大的黑洞，名为SDSS J073739.96+384413.2，质量是太阳的1040亿倍。

这就是黑洞的前世今生。

中子星变黑洞的过程中子星是目前宇宙中发现密度仅次于黑洞的天体，是中大质量恒星，也就是约8~30倍太阳质量的恒星，在演化后期发生超新星大爆炸后，核心部分留下的一个致密的核。

这个核的半径只有约10km（千米或公里），密度高达1~20亿吨/cm^3（立方厘米），表面压力达到10^28个大气压，比地形压力大33万亿亿倍，比太阳中心压力大3.3亿亿倍。

中子星的质量一般维持在太阳质量的1.44~3倍左右。根据泡利不相容原理，小于太阳质量1.44倍时成不了中子星，只能成为白矮星，由电子简并压支撑星体形态；而中子星则依靠中子简并压支撑着重力压，保持着中子星形态，当质量超过临界点时，中子简并压就无法支撑重力压力，从而中子星无法保持星体形态，很快坍缩成一颗夸克星或黑洞。

由于中子星引力巨大，会将周边附近的天体或星际物质不断吸积到自身，不断增加质量，因此蜕变成更致密天体的可能性很大。

夸克星还是一种理论假想的存在，目前还没有发现这种天体，所以，一般认为中子星超过奥本海默极限会直接坍缩成黑洞。奥本海默极限就是中子星 探索 的质量临界点，这个临界点目前还没有准确定论，科学界经过观测发现和理论推算，一般认为在太阳质量的2~3倍之间。

黑洞是恒星（或任何天体）的顶级尸骸，就是任何天体变成黑洞后就到顶了。

白洞白洞是与黑洞正好相反的一个理论猜想，只是物理学家们根据爱因斯坦场方程假设的一个数学模型。迄今为止，白洞还没有被观测证实。这个模型的基本定义是，黑洞不断吞噬宇宙物质，白洞却正好相反，不断向宇宙中喷射出物质。

理论上黑洞和白洞都是宇宙中的极端天体，黑洞的引力无限大，白洞的排斥力无限大，它们都有一个封闭的边界，进入黑洞视界的物质是有去无回，连光也不例外；而白洞的视界不允许任何物质进入，只出不进，同样连光也不例外。

因为白洞还只是理论上存在的一种假设天体，因此白洞的成因说法不一，其中比较有代表性的观点是，宇宙大爆炸开始时，由于爆炸不充分不均匀，一些没来得及爆炸的致密核被抛射出来，这些被抛出的致密核仍处于奇点状态，只是爆炸延迟了，有的延迟了100多亿年才爆发，这种爆发就是白洞。

类星体核心巨大的引力源就是一个白洞，喷发出的物质与周围物质发生碰撞，不断迸发出高能射线。

除此之外，还有几种观点：之一，白洞是黑洞的“反演”，就是当黑洞坍缩到了极限会发生质变，也就是反坍缩爆炸，由此从向内吸积能量转化为从核心向外喷发能量；之二，就像宇宙中存在着正负物质一样，白洞和黑洞是宇宙中的正洞和负洞，一个释放能量，一个吸收能量，性质相反。

还有观点认为，黑洞吸收的物质，会从另一端的白洞喷发出来，连接黑洞和白洞的这根管道就是虫洞。黑洞和白洞有可能处于相同时空，但距离遥远的两个区域，也可能分别处于正反不同性质的两个时空。

不过这些理论迄今为止，依然是公说公有理，婆说婆有理，因为没有观测到虫洞的真实存在。那么虫洞到底存不存在呢？很难说。科学发现的最大乐趣，莫过于根据理论提出的预言，最终被证实真实存在。黑洞和引力透镜就是这样被发现的，白洞会被发现或最终被否定吗？我也不知道。

虫洞虫洞也是根据爱因斯坦场论提出的一种预言。“虫洞”这个概念最早于1916年由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆提出，后来，爱因斯坦和纳森·罗森两位物理学家对这个理论进行了完善，因此人们又把虫洞称为“爱因斯坦-罗森桥”，也叫时空隧道，意指连接两个遥远时空的多维空间隧道。

这种时空连接很可能会连接到“婴儿宇宙”，也就是宇宙诞生后不久刚刚诞生星系和恒星的时期，这种时空距离我们有138亿光年，甚至更长。

通俗地说，虫洞犹如高速路或火车穿越山峰的隧道，如果没有这个隧道，要到山的另一面就需要翻过山巅，或弯许多路，而穿越隧道就近很多。因此虫洞被认为是宇宙空间存在的“捷径”或“抄近道”，有了这个捷径，就能够实现遥远时空的瞬时转移，比如很快到达婴儿宇宙，到达目的地所需时间相对不走捷径，就会超越光速许多倍。

但这种“跨越”并没有增加速度，只是“抄了近道”，不违背光速极限的原则。因此，虫洞穿越是人类突破速度瓶颈，或者说突破光速藩篱的一个可能选项。但虫洞也像白洞一样，还只存在于科学幻想和理论猜想阶段，并没有发现真实存在，未来能不能发现或利用，也还是一个未知数。

有关虫洞的成因，也有多种说法。比如前面说的，黑洞与白洞之间存在一个物质输送管道，就是虫洞；还有白洞和黑洞碰撞，会形成虫洞等等。

总体上说，虫洞是巨大引力场作用下形成的时空漩涡，巨大质量的天体旋转及其相互作用过程会对时空造成扭曲，形成时空漩涡或陷阱。这有点像海水中的巨大漩涡，无处不在但又转瞬即逝，有些漩涡能让两个相距很远的局部瞬间离得很近，这种时空漩涡在宇宙中就被称为“虫洞”。

由于虫洞具有不确定性和转瞬即逝的性质，即便发现虫洞真实存在，能否利用也颇有争议。有人认为，只有负能量或暗物质能够维持虫洞的稳定。而负能量和暗物质在目前也还是一种理论假设，人们并不清楚这些玩意到底是什么。

因此，虫洞穿越现在还只是个科幻或神话，或许永远是个神话。

结论：从以上介绍，我们可以看出，黑洞、白洞、虫洞说起来都是“洞”，但不是普通的洞，而真正可以说有点像洞的，只有虫洞，其余的两个都是一种特殊天体。从根本上说，这三个“洞”都是引力场导致的现象或者说存在，但它们之间具有完全不一样的性质，对人类未来的影响和作用也不一样。

目前，科学家通过巨大努力和代价，已经拍摄出了第一张黑洞照片，证实了黑洞的真实存在。但白洞和虫洞还只存在于理论阶段，未来能不能发现，能不能被人类所利用尚无法定论。