《时间的形状》18 - 从黑洞到虫洞
爱丁顿（Eddington，1882-1944），相信相对论，决定去完成爱因斯坦交给天文学家的这个使命，验证星光实验的预测到底准不准确。为了使观测的误差降到最低，同时也为了取得更多的公信力，爱丁顿还以他的号召力还邀请到了很多出名的天文学家，比如柯庭汉、克罗姆林、戴维森等。他们分成了两个远征观测队，一个队远赴巴西的索布拉尔，另一个队由爱丁顿亲自率领，远赴西非的普林西比岛。1919年5月29日，日全食如约而至，虽然当时天公不作美，两支远征队都遇到了阴天，但是在最关键的时刻还是拍到了至少八颗恒星的照片。他们把照片带回英国后，和半年前拍摄的照片仔细比较，经过长达五个月的数据分析，同时邀请了全世界的天文学家齐聚英国皇家研究所一起分析与计算，最后他们宣布，爱因斯坦的理论取得了完美的证实，观测值与理论计算值吻合得非常好！“这是一次彻底而满意的结果。”爱因斯坦自己说。
没见过这么黑的洞
让我们顺着时空弯曲这条道路继续往下，看看还有什么惊人的推论等在前方。
通过水星进动现象和星光实验，我想我大概已经让你相信引力确实可以使空间弯曲了。那么什么东西产生引力？对，是质量。质量越大，引力越强，引力越强，空间弯曲得越厉害。请把我们的宇宙空间想象成一张细密的网，任何有质量的物体就像一个球放在这张网上，这个球质量越大，体积越小，则在这张网上下陷得就越深。刚开始只是像一个小小的凹陷坑，但是随着下陷的深度越来越大，就会越来越像一个空间中的“洞”。
图5-12质量越大的物体在空间上形成的洞越深
任何掉进这个洞里面的东西想要出来，就好像井下的青蛙想要跳出来，必须达到一个能逃出来的最低速度才行，这个速度我们称之为逃逸速度。那么要从地球上逃逸出去的速度是多少呢？这个在牛顿时代人类就会计算了，是11.2千米/秒，这也叫做第二宇宙速度。逃逸速度的值取决于天体的质量和半径这两个参数，用个形象的比喻，就是同样重量的木球和铁球，因为铁球的体积要小得多，所以造成的洞就会深得多，因此要从这个洞中逃出来的速度也会大得多。大家想想，宇宙中跑得最快的东西是什么？是光，没有什么东西比光的速度还快。那么有没有一种可能，这个洞是如此之深，深到令它的逃逸速度比光速还要大，那就意味着连光都休想从洞里面逃出来，更别提其它任何东西了。如果真有这样的洞存在，那么这个洞可真够黑的，永远是只进不出。德国天体物理学家史瓦西（Schwarzschild， 1873-1916）首先开始思考这个问题，他仔细研究了广义相对论，通过广义相对论的引力场方程算出了名垂千古的“史瓦西半径”。史瓦西半径一公布出来，立即引起了包括爱因斯坦在内的很多天文学家和物理学家的兴趣，吸引了一大批科学家去深入研究这个恐怖的黑洞，只是我们可怜的史瓦西先生在算出史瓦西半径的当年就死于意外，年仅43岁，真是科学界的一大损失，为了纪念他，就把这个天体要成为黑洞的临界半径称作“史瓦西半径”。
图5-13 黑洞原理
黑洞在一开始仅仅是作为一个方程的解而存在，也就是说黑洞仅仅是一个数学概念，宇宙中到底有没有这样恐怖的洞存在，谁也不知道，因为既然是黑洞嘛，就是完全不发光的，那么天文学家当然也就认为黑洞是永远无法观测到的。不过后来随着研究的深入，人们渐渐发现其实黑洞也是能观测到的，并且有很多方法，这些方法都已经在这最近的几十年来被天文望远镜所证实。为了便于大家直观理解，我们来看一些经过艺术加工和夸张后的黑洞图片：
图5-14电影《星际穿越》中的黑洞，计算机逼真模拟
黑洞还有个特别有趣的性质，它的质量大到把时间和空间都扭曲成了一个洞。空间被弄成一个洞还好理解，不就是进去的东西出不来嘛；那时间被扭曲成一个洞你能想象是怎么回事吗？在黑洞里面，时间停止了，准确的说，时间不存在了，时空在这个地方被打了一个死结，人类对宇宙的认识止步于黑洞的“视界”。假设有一个倒霉的宇航员不幸掉入一个黑洞，他在掉入黑洞的一刹那，从外面的观察来看，这个倒霉宇航员的时间停止了，他的动作也停止了，他就像照片定格一样被永远定格在了黑洞的边缘，宇航员的亲人们永远也看不到他掉进去，宇航员的子孙后代世世代代都可以看到这幅定格的恐怖画面。但是，如果你是那个倒霉的宇航员，时间对你自己来说仍然是一样流逝的，你仍然会感到自己掉了进去。至于到底掉进去以后会发生什么，谁也不知道。如果你去问霍金，他会这么回答你：“所谓黑洞，就是一切永远无法了解的事件真相的集合。”
让我带着你继续沿着上面的线索往下想，更神奇的事情马上就要发生了。
从黑洞到虫洞
黑洞就是宇宙这张大网中时间和空间形成的一个洞，越看越像一个漏斗。你有没有想过，如果宇宙中有两个这样的漏斗，刚好漏斗嘴对漏斗嘴接上了，会发生什么情况？
图5-17 虫洞原理
爱因斯坦和另外一个叫罗森的美国物理学家一起研究发现，广义相对论的方程中有一个解可以从理论上允许这种情况的发生，物理圈子里面的人把它称之为“爱因斯坦—罗森桥”，说这个连接部位就像一座桥一样连通了宇宙空间中两个本来相隔得非常非常遥远的区域。但很快人们就觉得，这情景还是更像一个洞，只不过这个洞就好像一只虫子咬穿了一只苹果一样。这个比喻更形象，更深入人心，因此，这个爱因斯坦—罗森桥大多数情况下都被叫做“虫洞”。
虫洞这个洞太神奇了，不但可以连通相隔遥远的宇宙空间，让你能突然从一个地方跨越几百光年出现在另一个地方，而且它还能连通时间，让你从一个时间突然出现在另外一个时间，不光是从现在到未来，也有可能是从现在到过去。虫洞成了现在关于宇宙旅行和时间旅行的科幻小说的标准化理论，也成了地球上发生的无数古怪离奇的失踪案件和穿越事件的元凶。反正一切不可思议的事情都能用虫洞来解释，简直“无所不能”。
但是让我们从理性的角度再看一下这个虫洞，我们会发现如果桥的两头都是两个黑洞的话，那有什么意义呢？你从洞的这头掉进去，你也无法从洞的那头出来，无非就是从宇宙的一个监狱跳跃到了另外一个监狱而已。除非，广义相对论的另外一个叫“白洞”的推论也能存在。所谓白洞就是刚好跟黑洞性质相反的一个洞，这个洞不停地把物质以辐射的方式“吐”出来（迄今为止尚未有任何直接或者间接的观测证据出现）。如果虫洞的一头是个黑洞，另一头是个白洞，那么你就有可能从黑洞这头掉进去，从白洞那头被吐出来，不过即便被吐出来了，你也变成了辐射的形式，也就是被还原成了基本粒子。看来，不论虫洞的两头是黑洞还是白洞，指望它来做真正的时间和空间旅行似乎死亡率都达到100%，看起来真是不够给力。
压轴大戏
讲到这里，本章已经接近尾声，让我们来梳理一下前面看过的那些风景。首先，爱因斯坦从对狭义相对性原理的不满意出发，把狭义相对性原理推广到了等效原理加广义相对性原理；然后从这两个原理出发，推导出了引力使得时空弯曲，继而又推导出了黑洞；再从黑洞想到了虫洞，于是时空旅行有了理论可能性。这么一路走来，风景越来越奇特，但都十分具有说服力。科学的神奇就在于一步步往前走的时候，觉得每一步都是合理的，一段时间以后再回头一看，发现连自己都快不相信脚下的这片神奇土地了。难怪爱因斯坦会讲出下面这句名言：
“宇宙最不可理解之处在于它竟然是可解的。”
本章就到这里……
等等，等等，你突然大声叫起来，作者，你忘记了一件重要的事情。
什么事？
压轴大戏啊，压轴大戏还没上演呢，前面两章都有压轴大戏的，这章怎么可以没有？
哈哈，就等你们这句话呢，压轴大戏自然是早就准备好了，而且这部压轴大戏是绝对可以堪称压轴的，我们要让整个宇宙成为我们的演员，我们要对宇宙本身的生死做出终极思考。好戏这就上演！