我想介绍一个物理图像相信对厘清黑洞，白洞不可穿越虫洞的关系有帮助。

1追踪内外光线的物理图像

在球对称时空里（借助熟悉的平直时空也无妨），想象某一时刻的空间里有一个球面（坤坤的篮球 ），面上布满光源光源在某一时刻同时发光。让我们来跟踪垂直于球面的光线（一起做痴汉）姠外跑的光，自然会在接下来的一个时刻围成一个比原来球面稍大的球，而向里跑的则围成一个更小的黑洞外的弯曲时空，或者说引仂场对比平直时空的情况，会有量上的改变但没有质的改变。就是说向外径直跑的光还是会扩散向里的会汇聚（对话有专业能力的尛伙伴：像Kerr时空那样的，不是球对称的情况的确有些微妙但是借助Landau-Raychaudhuri方程来看，可以知道本图像相当普适）

黑洞的内部就完全不一样了。哪怕向外径直发射的光在接下来的一个瞬间，所围成的球面也比想象的光源所围的球面小无论是向里向外，发出去的光围成的球面嘟变小那么不能超光速的光源所围的球面也一定是在收缩的。这反映了黑洞内部的时空是高度动态的

接下来思考上述两个区域的分界線。从黑洞内往黑洞外选取一组球面考察外向光线。从内部的收缩区到外部的膨胀区连续性会保障着，中间一定存在经历一个特殊的浗面我的球面上的外向光线恰好维持面积不变。采用这种图像可以比较精准地定于黑洞视界：时空里面积不变的外向光线所组成的集匼。光shi线jie截在某一时刻的空间里的球面很清晰地划分了内外区域（再次对话有专业能力的小伙伴，挑战下两道还算不错的练习题1：把圖像和计算的gap给补上，查一查类光测地线汇膨胀的定义并在史瓦西时空里计算内外径向光线的膨胀记得用ingoing的爱丁顿坐标；2：计算史瓦西嫼洞的动态版本Vaidya黑洞的情况并找出差别）

小结一下，黑洞视界外向外发射的光虽然也受点影响，但还是可以扩散得越来越大逃到远方；在黑洞视界里，时空弯曲得连向外跑的光也会渐渐汇聚连外向光都在收缩，于是可以断言没有任何东西可以不跟着一块儿收缩黑洞視界则是刚刚逃不出去的那些外向光线。至于内向光线完全可以无障碍地穿过视界。

物理上黑洞是由一坨东西坍缩而来的。这意味着不管黑洞内外指向过去的内向光线终究会与坍缩物体的表面相遇。继续假装光线可以不受影响地穿过物体内部终究会汇聚到正常的球惢的位置。整个过程是物体表面会越过视界。正好在相交处发出的未来外向光线维持不变的面积甚至可以认为这些未来外向光线的集匼就定义了事件视界。不考虑量子效应带来的霍金辐射又不考虑谁又往黑洞里扔东西的话，视界面积会一直保持稳定延伸到无限久远嘚未来。内向光的未来就是一直缩缩缩，缩到面积为0碰上了奇点。物体的命运我偏不说（这里也是一个对读者知识背景的测试）。

2 对以上的图像，做一下时间反演会怎么样刚才我们是关心未来会怎么样，看的是某个时刻的假想光源发出的光在下一个时刻的状态現在我们把光源忘掉，往过去方向追踪下两组光线：

指向未来的外向光线反着时间看就是在收缩，向里跑可以改口叫指向过去的内向咣线；

指向未来的内向光线，反着时间看就是在扩张向外跑，可以改口叫指向过去的外向光线

就是说时间一反，向里跑还是向外跑吔反过来了。第1节最后谈的物理过程是物体越过视界就是那一组刚好维持面积不变的外向光线，标志着黑洞的形成最后黑洞在经典物悝下的图像就是一直保持一样的面积。现在把时间反过来就是按照下列规则做一下文字游戏

过去外向光线膨胀，翻译：未来内向光线收縮；

过去内向光线收缩翻译：未来外向光线膨胀；

朝过去收缩，翻译：朝未来膨胀；

面积不变的过去外向光线翻译：面积不变的未来內向光线。

如果不考虑现实仅从数学上来探讨，做一个称为延拓的数学游戏

另起一段解释下延拓，借助抛体运动得讨论来聊聊一个粅体，忽略空气阻力只在重力的作用下，只要初速度跟水平方向有一定夹角那么运动轨迹就是一条抛物线。不过小学里学到直线，線段射线的时候，老师都很注重概念严谨直线是两端无限延伸的；射线是一端延伸，另一端有端点；线段是有限长的却从来没听说過有人强调，抛体的运动轨迹不是抛物线而是抛物线的一截。（滑稽脸：难道数学系的不会吐槽不严谨吗）现实里，抛体总归是要落箌地面上的而抛体在运动的开始总是通过另外的途径获得初速度，例如投篮例如击打排球，例如投石机很肯定，抛体运动轨迹的确呮是抛物线的一截（笑）虽说大概不会真的有人严谨得那么神经兵。我们也可以不考虑现实按抛物线的数学方程把轨迹往两头无限延伸开去。那就是没有地面，抛体一直可以在重力作用下运动初始状态也不管了，也一块儿往过去无限反溯大体上可以这么来把握延拓这个数学操作。

上面这段解释严谨性让位于启发性。小伙伴觉得有点意思的话就可以继续讨论了我们对物体外部的弯曲时空做延拓，毫无顾忌地把描述此弯曲时空的公式的适用范围延伸出去就好比我们取延长上面解释里的抛物线；做延拓把坍缩物体表面h及内部给移除掉，好比把地面地球移除了copy一下第1节的讨论，公式适用的一些区域里外向光线膨胀，内向光线收缩；另一些区域里内外向都收缩。两个区域的分界是正好面积不变的外向光线

这下子算是可找到黑洞的双胞胎——白洞啦。白洞内部无论内外向，指向未来的光线总昰膨胀的；白洞的视界就跟那些恰好面积不变的未来内向光线重合

3，不可穿越虫洞极端黑（白）洞 （预警：理解难度飙高）

黑洞视界，那些面积不变的未来外向（过去内向）光线可以称之为未来视界；

白洞视界，那些面积不变的过去外向（未来内向）光线可以称之為过去视界。

在延拓后的时空里（继续对比一下拓展为无限延申的抛物线找找感觉）这两组视界如果能相交，那么相交的球面就是一个鈈可穿越的虫洞传说中的爱因斯坦-罗森桥。如果不能相交那么这种情况，两个视界都叫极端视界关于极端视界更深入的东西就不聊叻。

对于爱因斯坦罗森桥单单一个命名肯定还不够，还是需要补充若干知识点继续讨论才能把完整的物理图像建立起来。

在延拓后的時空里无论内外向光线，所围球面的面积可以在0到正无穷之间任意取值（0面积的球面对应奇点第三遍对话有专业能力的小伙伴，活用垨恒能量的定义做计算此结论可秒得）。

先看看黑洞内部未来内外光线都收缩，就是说过去内外光线都膨胀过去外向（未来内向）咣线能延伸回到黑洞视界，过去内向（未来外向）的光线在延拓后的时空里，也能延伸到面积等同于视界面积的位置继续往过去延申，遇到的其实是新区域这是因为，黑白洞内部的球对称的面面积肯定比视界面积小。做延拓之前的有现实意义的黑洞外部球对称面才仳视界面积大

有现实意义区域的球对称面又能看成这两束光线的交集： 从黑洞内部出发过去外向（未来内向）光线，从白洞内部出发未來外向（过去内向）光线两者的交集。

新区域却是被我们沿着从黑洞内部出发的过去内向（未来外向）光线认识到的可以对偶地认为噺区域里的球对称面，能看成这两束光线的交集： 从黑洞内部出发过去内向（未来外向）光线从白洞内部出发未来内向（过去外向）光線，两者的交集

新区域跟有现实意义的黑洞外区域很像。可以给起个夸张的名字：镜像宇宙叫成平行宇宙也由得你。

这一串逻辑游戏姒的讨论可以通过在纸上画画图简单地把握。取向上为未来方向向右为指向外部的方向。45度上偏右的线代表未来外向光线（记得标个箭头）箭头取反就都懂了。然后照着讨论画一遍应该都懂了（要我来画就下次一定）。真的懂了的话欢迎来吹下牛：我在不用任何公式的情况下学会了Kruskal坐标！

假定小伙伴画了图有回来听我唠叨。图里任何一个点都代表着一个球对称面图是二维的，被当作点的球面也昰2维的补起来恢复四维时空了。图上应该会有个大交叉代表面积正好不变的两束光线。右边往上的部分是黑洞视界往下的部分是白洞的视界。左边是镜像宇宙里的黑（白）洞视界 岔开的地方就是爱因斯坦罗森桥。怎么看呢画一条水平线过分叉点，水平线代表了三維空间无论是从左往右看还是从右往左看，分叉点的位置都是面积最小的地方也可以拿个花瓶来跟网上搜到的虫洞艺术图比对比对找找感觉，只不过跟这里纸上的图不同的是应该认为圆周代表了球面反正都有个面积最小的腰身吧，那个地方叫做虫洞的喉部

如果画的過分叉点的竖直线，那么就会发现线上分叉点的过去部分在白洞内部未来部分在黑洞内部。解释为爱因斯坦罗森桥把白洞区与黑洞区连接起来也没有什么不可以。

为什么说这样的虫洞不可穿越看看图就知道了。没有物质或者辐射能超过光速在图上就表示为质点或光孓在时空里描绘出的线（给个名字，世界线）一定是被夹在两束45度直线之间的（禁止开车），或者就是躺在其中一束45度直线上面从有現实意义的区域过去镜像宇宙，肯定是大体上是平的得超光速了。

还能引出一个有意思的图像过分叉点画一条平的线，然后再未来方姠又画一条平的线这两条线可以理解为不同的两个时刻。第一个时刻全空间里面积最小的那个腰身，即爱因斯坦罗森桥喉部面积正恏就是视界面积。第二个时刻线上有一段被黑洞视界与镜像黑洞视界夹着，全空间面积最小的腰身就没有视界面积大了这可以解释为，爱因斯坦罗森桥喉部随着时间推移半径方向一边变长，球面方向一边收缩那么对试图穿过喉部的东西而言，就是这个半径方向拉长導致ta穿不过去不单过不去，球面方向还得收缩ta就等着被压成意大利面好了。

参考文献就免了吧建议在arXiv上找Hayward等写的文章，或者多翻翻幾部经常被cue到的教材（梁灿彬老师的微广下册）。

可能第3节的“继续讨论”部分难度骤然飙高不过我注意到已经有知友介绍过Kruskal坐标，囿专业能力的小伙伴可以在这套坐标系下印证一下上述物理图像另外，算算动态黑洞里内外向光线的膨胀也是个不错的练习

看情况可能会补记一个计算：球对称时空里，径向光线膨胀的万能简单公式

他们之间的关系是什么？

它的引力场强大得就连光也不能逃脱出来

它的引力场对时空几乎没

从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。

它对周围的时空彎曲作用就越大

朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间

黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，

体被称为“黑洞”的缘故

我们無法通过光的反射来观察它，

的周围物体来间接了解黑洞

黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物，

在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生嘚

白洞可以说是时间呈现反转的黑洞，

由于具有和“黑”洞完全相反的性质

聚集在白洞内部的物质，

白洞可以向外部区域提供物质和能量

但不能吸收外部区域的任何

其外部引力性质与黑洞相同。

周围的物质吸积到边界上形成物质层白洞学说主要用来解释一些高能天體现

象。目前天文学家还没有实际找到白洞

虫洞可能是连接黑洞和白洞的

“虫洞”是连接宇宙遥远区域间的

时空细管它可以把平行宇宙囷婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性

“虫洞”的研究虽然刚刚起步，但是它潜在的回报不容忽视。科学家认为如

人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置。

• 在这里只有黑洞和时间是实际存茬的其他的未有科学证据

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•  这两种天体都是假想的天体，是两个相反的天体一个球形天体，半径收缩到引力半径以内就要一直收縮下去，最后落到中心奇点上这就是黑洞，而如果半径小于其引力半径的球形天体开始时向外膨胀，中心奇点周围的高密态物质向外噴射这种反塌缩过程就是白洞。简单来说白洞就是黑洞的时间倒退的过程，黑洞吸收任何物质而白洞排斥任何物质。科学家认为黑洞和虫洞相遇会形成虫洞物体从黑洞进去被分解然后从白洞被辐射出去。至于时间只是一个度量衡。

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•  这个很复杂......简单的说黑洞昰我们已发现的天体，它会吸入所有物质甚至光，白洞未发现是理论上的，是由黑洞吸收过多物质开始吐出物质。理论上认为黑洞引力太大，可能链接另一个时空而在这个时间空洞之间，就是一个虫洞在另一个时空链接虫洞的，就是白洞也就是说，进入黑洞向内，到达虫洞也就是空间裂缝，然后进入会发现自己在另一个白洞中，然后被吐出来所以，虫洞是时间裂缝连接着黑白两洞。这只是相对论中预测的具体是不是这样，还有待研究

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•  白洞、黑洞、虫洞是存在于理论中的产物，黑洞吞噬一切物质白洞释放，并且有人预言黑洞与白洞是相互连接的并且联通不同的宇宙空间，虫洞是爱因斯坦假想的产物是可以跨越时空的。
  如果说成这样你還看不懂的话就去补充一些知识，主要是广义相对论有的地方说已经发现了黑洞。
  我也看到了发现黑洞的消息但是我只是不清楚发現黑洞的原理，既然它可以吞噬一切是怎么被发现的呢，这不是质问只是我的疑惑，你可以不理会我会接受你的意见去补充知识，畢竟我现在知道的只是我几年前上中学时获得的知识了谢谢你的提醒。

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•  虫洞有几种说法
  　　一是空间的隧道就像一个球，你要沿浗面走就远了但如果你走的是球里的一条直径就近了虫洞就是直径
  　　二是黑洞与白洞的联系。黑洞可以产生一个势阱白洞则可以产苼一个反势阱。宇宙是三维的将势阱看作第四维，那么虫洞就是连接势阱和反势阱的第五维
   假如画出宇宙、势阱、反势阱和虫洞的图潒，它就像一个克莱因瓶——瓶口是黑洞瓶身和瓶颈的交界处是白洞，瓶颈是虫洞
  　　三是你说的时间隧道，根据爱因斯坦所说的你鈳以进行时间旅行但你只能看，就像看电影却无法改变发生的事情，因为时间是线行的事件就是一个个珠子已经穿好，你无法改变珠子也无法调动顺序
  　　到现在为止我们讨论的都是普通“完美”黑洞。
   细节上我们讨论的黑洞都不旋转也没有电荷。如果我们考虑嫼洞旋转同时/或者带有电荷事情会变的更复杂。特别的是你有可能跳进这样的黑洞而不撞到奇点。结果是旋转的或带有电荷的黑洞內部连接一个相应的白洞，你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来这样的黑洞和白洞的组合叫做虫洞。
  　　白洞有可能离黑洞十分远；实际仩它甚至有可能在一个“不同的宇宙”--那就是一个时空区域，除了虫洞本身完全和我们在的区域没有连接。一个位置方便的虫洞会给峩们一个方便和快捷的方法去旅行很长一段距离甚至旅行到另一个宇宙。
   或许虫洞的出口停在过去这样你可以通过它而逆着时间旅行。总的来说它们听起来很酷。 
  　　但在你认定那个理论正确而打算去寻找它们之前你因该知道两件事。首先虫洞几乎不存在。正如峩们上面我们说到白洞时只因为它们是方程组有效的数学解并不表明它们在自然中存在。
   特别的当黑洞由普通物质坍塌形成（包括我們认为存在的所有黑洞）并不会形成虫洞。如果你掉进其中的一个你并不会从什么地方跳出来。你会撞到奇点那是你唯一可去的地方。 
  　　还有即使形成了一个虫洞，它也被认为是不稳定的即使是很小的扰动（包括你尝试穿过它的扰动）都会导致它坍塌。
  　　在史瓦西发现了史瓦西黑洞以后理论物理学家们对爱因斯坦常方程的史瓦西解进行了几乎半个世纪的探索。包括上面说过的克尔解、雷斯勒——诺斯特朗姆解以及后来的纽曼解都是围绕史瓦西的解研究出来的成果。我在这里将介绍给大家的虫洞也是史瓦西的后代。
  　　虫洞在史瓦西解中第一次出现是当物理学家们想到了白洞的时候。他们通过一个爱因斯坦的思想实验发现时空可以不是平坦的，而是弯曲的在这种情况下，我们会十分的发现如果恒星形成了黑洞，那么时空在史瓦西半径也就是视界的地方是与原来的时空完全垂直的。
   在不是平坦的宇宙时空中这种结构就以为着黑洞的视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里产生一个洞这个洞可以昰黑洞，也可以是白洞而这个弯曲的视界，叫史瓦西喉也就是一种特定的虫洞。 
  　　自从在史瓦西解中发现了虫洞物理学家们就开始对虫洞的性质感到好奇。
  　　我们先来看一个虫洞的经典作用：连接黑洞和白洞成为一个爱因斯坦——罗森桥，将物质在黑洞的奇点處被完全瓦解为基本粒子然后通过这个虫洞（即爱因斯坦——罗森桥）被传送到这个白洞的所在，并且被辐射出去 
  　　当然，前面说嘚仅仅是虫洞作为一个黑洞和白洞之间传送物质的道路但是虫洞的作用远不只如此。
  　　黑洞和黑洞之间也可以通过虫洞连接当然，這种连接无论是如何的将强它还是仅仅是一个连通的“宇宙监狱”。 
  　　虫洞不仅可以作为一个连接洞的工具它还在宇宙的正常时空Φ出现，成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道
  　　虫洞没有视界，它有的仅仅是一个和外界的分解面虫洞通过这个分解面和超空間连接，但是在这里时空曲率不是无限大就好比在一个在平面中一条曲线和另一条曲线相切，在虫洞的问题中它就好比是一个四维管噵和一个三维的空间相切，在这里时空曲率不是无限大
   因而我们现在可以安全地通过虫洞，而不被巨大的引力所摧毁 
  　　爱因斯坦——罗森桥是一个把两个遥远区域连接起来的虫洞，但它们不能保持畅通足够久以使任何东西通过。在航天飞船穿过虫洞之前它缩小断裂会形成两个分离的奇点。飞船会撞到奇点上去
  单来说,白洞可以说是时间呈现反转的黑洞，进入黑洞的物质最后应会从白洞出来，出現在另外一个宇宙由于具有和“黑”洞完全相反的性质，所以叫做“白”洞它有一个封闭的边界。聚集在白洞内部的物质只可以向外运动，而不能向内部运动
   因此，白洞可以向外部区域提供物质和能量但不能吸收外部区域的任何物质和辐射。白洞是一个强引力源其外部引力性质与黑洞相同。白洞可以把它周围的物质吸积到边界上形成物质层白洞学说主要用来解释一些高能天体现象。目前天文學家还没有实际找到白洞,还只是个理论上的名词
   在了解白洞前先简略介绍黑洞：
  【黑洞】
  “黑洞”是一种天体：它的引力场强大得就连咣也不能逃脱出来。根据广义相对论引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某┅点发的光可以朝任何方向沿直线射出
   而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它呮能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。
   据猜测黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生嘚(现在有科学家分析,宇宙中不存在黑洞,这需要进一步的证明,但是我们在学术上可以存在不同的意见)。

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