黑洞与白洞和虫洞之间的时空关系

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作者介绍

孟新河
南开大学物理科学学院教授
博士生导师。
人类社会所发生的一切都是在时间和空间的舞台上展现，而人类则是这个大剧舞台中核心角色，在大多情况下是许多事件的设计者，发起者和实践者；人生如戏戏如人生，我演角色还是角色扮我？时、空、人三位一体。那么，在现代科学上时空有何特别之处呢？

中国古哲人(春秋战国时)尸子说：上下左右四面八方谓宇，古往今来日月更替为宙，这便是华夏原居民的古时空观—不论天荒地老海枯石烂，更别提日升月落改朝换代，我心永恒不离不弃。
时间和空间是绝对的分离站在我们形形色色绚丽生活后面，永恒存在最忠诚不改变不演化，西方的大咖伽利略，牛顿时空观也是如此，没准是从我们尸子的朴素哲学那里得到启发？只是华夏古学说没有定量严格的数学符号推演体系，少了点创新的套路？

人类创造了历史，而历史也造就了英雄。
当时没能申请到德国高校教职，在亲戚朋友引荐资助下，这个到瑞士尼泊尔一个专利局做低级职员的年轻小哥，安贫乐道，工作之余不务“正业”， 看到了我们上次第6节刚刚介绍的麦克斯韦的电磁理论与牛顿的力学体系在时间空间改变时行为不一致，不能以一套自洽的变换形式龙行天下，勇敢的他在其同学妻子（后成前妻）帮助下提出了划时代的狭义相对论：运动，同时性具有相对性，时空变换要遵守所谓的洛伦兹变换规律；时间和空间不可分割，彼此相连；在运动的方向上空间尺寸变短，走慢的时间节律享受慢生活，会出现尺缩钟慢，双生子佯谬等等好玩的事，而这些已得到了现代许多物理实验的证实。
英雄不问出处，英雄也不讲身高，英雄更不论何岗称谓名头，但英雄爱因斯坦背后确实站着个很有学养的女人。他给出的现代时空观深深影响了今天的文明和明天的发展。

我们在1-3节中简介了宇宙整体的概貌，4-6部分见识到宇宙中物质能量成分的奇特之处；极其致密天体难于在地球实验室造出，(一个指甲盖大小的中子星物质就有千亿顿重，放在天津南开区会把与此地理位置对应的地球那边压穿)，更不要说其核心有难于想象的高压，足以将电子压入原子核里。
现在我们要来深入一点讨论第5节中的一个老朋友--黑洞，和马上介绍的白洞和虫洞(想象一个大苹果上被一个虫子钻了个洞？)。它们也是许多科幻大片的主题。

引力塌缩造成了时空极度弯曲，当引力场强大到连光子(电磁波)都无法逃逸，这时形成的极度弯曲时空区域就称为黑洞，它是单行路，只进不出；在时空图中，与黑洞时间演化相反的时空区域则为“白洞”-——这是一个只出不进的时空区域。时空逻辑清晰，但至今对白洞时空物理理论的研究极少。(也许在不久的将来这领域研究大热后，可将白洞的物理称为“白理”,则黑洞的物理——黑理？)


在爱因斯坦1915年提出广义相对论的转年，1916年，一个上战场打仗的年轻人给出了它的静态球对称解——斯式解，它是个极度弯曲的时空区域.当把这个极其弯曲的时空区域按经度方向转180°，则弯曲狭长的区域就链接成一架时空“桥”，既爱因斯坦-罗生(Einstein-Rosen)桥，或斯氏“喉咙”( Schwarzschild “throat”)，它就是后来科研说的“虫洞”，可看出它与黑洞紧密联系，提供了两个时空区域的一个时空链接--捷径，即是许多科幻大片（如《星际穿越》）中的关键科学要素。


EPR 佯谬
罗生是爱因斯坦逃避德国 Nazi 迫害从 Berlin 大学教职跑路到美国普林斯顿高等学术研究院后的科研助手，是个人物！除了刚刚介绍的他们虫洞工作，他与爱因斯坦还做出了引力波行为深入的研究，和现在量子信息大热研究的原创工作 EPR 佯谬（其中的 E爱因斯坦， R即罗生，P是罗生去追求个人革命理想而到前苏联干大事离开科研神殿普林斯顿和爱因斯坦后找来的另一个科研助手）。在今天中国想到罗生这样的真正人才，更加感动！与罗生相似，一个意大利天才级别的中微子物理大家也在当时“叛逃”到“红色”苏联干革命。当时真实情况到底是什么使得他们愿“弃暗投明再造重生”呢？爱恨情仇仗义天涯。人生玩味奇妙，宇宙大千斑斓更叫人物我相望。
人类有生老病死星体也生灭相随相依。宇宙演径何途，我们又应何去何从?人生如梦梦似人生？