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白洞的真實情形是怎樣的呢?我們必須重新考查真實世界與其數學表述之間的關係,或者土地與地圖之間的關係這個微妙問題。物理定律中最常見的一種對稱性是時間反演。在伽利略和牛頓的力學,菲涅爾(Fresnel)的光學,麥克斯韋的電磁學和愛因斯坦的相對論裡,所有的方程都對時間對稱,因此才可以在一個給定座標系,從一個給定時刻來計算行星、光線或電子將來的和過去的軌道。但是,這並不意味著自然界對時間流是無差異的。例如,離開恆星表面的光線實際上是射向將來,而不是返回過去。

換句話說,物理方程的解並不是~定在真實世界中存在,然而,區分真實解與虛構解並不總是一件容易事。尤其是在考慮對稱解的物理解釋時,更需要格外小心,即使這些解在美學上很有吸引力。

丹尼斯’薩頓(Dennis Sutton)這樣寫道:“科學的前沿總是一種由新的真實、合理的假設和輕狂的猜想組成的古怪混合。”這段引言很適用於本書。我們現在可以這樣說,廣義相對論屬於上述混合中的第一種成分,黑洞屬於第二種,而白洞則是第三種。不過,公平地說,有些最“輕狂”的猜想曾經推動了科學的發展。有鑑於此,白洞還是值得留意的。事實上,白洞的增力已經增大,這是因為對它的研究有一種未必適合於公眾,對許多科學家來說卻是湛成為原動力的樂趣。那麼,我們也來試試吧。

“鑲嵌”遊戲

每當試圖理解一個抽象概念時,一再出現的問題就是如何使之形象化。以時空為例,被物質彎曲的“時空軟體”與被石塊壓彎的橡皮帶之間的類比,使我們能夠在一定程度上表示出抽象的四維幾何的彎曲特徵。藉助於一種被稱為“鑲嵌”的數學技巧,可以對時空彎曲作出嚴格的描述。

顧名思義,這種技巧是這樣來顯示~個給定空間的形狀,就是把它鑲嵌進一個多出一維的空間裡。例如,一個圓環(一維)的形狀,很容易由鑲嵌進一個平面(二維)來顯示;一個球面(二維)也能容易地由鑲嵌進通常的歐幾里德空間(三維)來顯示。

這種技巧對於完整的四維時空連續體是沒有用處的,因為必須把它鑲嵌進一個五維空間裡,而這是無法去想象的(甚至在數學上也不可能把一個四維時空鑲嵌進五維歐氏空間裡)。幸運的是,這種技巧還有不少別的招式可供採用。

例如,可以假定時空是靜態的,就是說空間幾何在任何時間都保持不變,把這種情況的時空顯示為一種瞬時的時間切片,不會有任何資訊損失。更進一步,如果空間幾何是球對稱的,則可以只看透過球心的赤道面切片,也不會有資訊損失。因此,可以很容易地把一個靜態球對稱時空切成二維薄片,而不會失去有關完整時空的彎曲狀況的任何資訊。二維切片的所有詳情,當然就可以透過嵌進一個三維歐氏空間而顯示出來(這裡的三維歐氏空間只是假想來用作“包含”時空切片的)。

作為上述方法的實際應用,且看被一顆平衡態球形恆星(如太陽)所弄彎的時空。由於恆星內部和外部的幾何都是靜態的,瞬時赤道面切片全都具有同樣的形式,如圖39的曲面所示。

這個曲面的形狀會使人聯想到一塊被石頭的重量壓彎的塑膠布。整個曲面被分成兩部分,延伸到無限遠的部分表示恆星外部的時空,這是史瓦西幾何的區域;另一部分為恆星自身所佔有,其精確形狀有賴於恆星的內部結構,但總保持與一個球面的一部分相似。由於恆星沒有坍縮,史瓦西臨界半徑r一ZM是在恆星內部,也沒有中心奇點,就是說這個坑的曲率完全正常。

這種表示法既能提供完整資訊又很嚴格,已經在圖歷中用來表示經過太陽附近光線的彎曲。

蟲洞

這些穴居的型別會挖掘臨時的或永久的地道。沙蟲生活在一種簡單的U形地道里。

——《百科全書》“環節動物”

現在將鑲嵌技術用於球形黑洞,由圖40所示,驚人的事發生了:鑲嵌面是由一個拋物面形(一條拋物線繞其對稱軸旋轉所產生的曲面)喉道連線著的兩個截然不同而又相互對稱的時空片。怎麼解釋這個意外的形狀呢?與普通恆星的情形不同,這裡只有黑洞外部的時空能被顯示。喉道有一個最小半徑,等於史瓦西半徑r—ZM,因而視界,即黑洞的邊界,縮減成一個圓環。

暫且忘掉鑲嵌面的雙重結構,只注意其上片(圖41)。它延伸到無限遠,曲率隨著與喉道距離的增大而緩慢減小,就是說它是漸近平坦的。自由下落粒子和光線的軌跡是曲面上

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