神秘的虫洞原来是这样的！黑洞和白洞之间的桥梁，有多神秘？

　　现在的物理学早就过了理论跟着实验跑的阶段，所以物理学家们不光创造出了黑洞白洞这东西，更是想出了虫洞这种脑洞大开的概念。那虫洞究竟是不是连接黑洞和白洞之间的桥梁呢？它又是不是像科幻作品里说的那样，通过它能够到达另一个时空？今天我们就从广义相对论角度，来说说这个神秘的虫洞。
　　要想说清楚虫洞，不得不从传统的黑洞讲起，黑洞的概念就不用过多介绍了吧，大家应该都不陌生，它其实就是在1916年，也就是在广义相对论发表一年后，史瓦西通过建立球坐标系，从而得到的一种可视化的史瓦西解，也就是经典的静态黑洞模型，不旋转不带电。但是史瓦西的这个解存在两个奇异的位置，一个是黑洞的奇点处，另一个是史瓦西半径的地方。在这两个位置史瓦西都会出现发散的问题，它描述不了这两个地方。
　　所以史瓦西更多只是描述了史瓦西半径外，也就是黑洞外面的情况。对于黑洞内部什么样并不清楚，出现这种奇异性问题只会有两个原因：一个是现实中的时空确实很诡异，无法被我们理解；而另一个是我们的坐标系没有选好，作为物理学家当然不能就这么妥协，自然会想方设法地去找一个更适当的坐标系。经过各路大师前赴后继的努力，终于在半个世纪后，人们总算解决了其中的一个奇异性。
　　1960年普林斯顿大学应用数学系的马丁克鲁斯卡尔，他将史瓦西坐标系进行了转换，建立了克鲁斯卡尔坐标系。而这个基于克鲁斯卡坐标系建立的时空图，就被称为克鲁斯卡图。在克鲁斯卡坐标系中，奇点之外的所有点在坐标系中都有定义，包括之前史瓦西半径的地方，它能够将原有的在球坐标系下的史瓦西度规，最大限度地推广到了整个时空中，对于这张克鲁斯卡图那就更厉害了，它不仅能够让我们看到黑洞的内部，它甚至还延拓出了一个我们从未想过的未知区域。
　　先说一下，理解这张图其实并不难不用怕，相信只要跟着我的描述，到最后你不但能真正理解虫洞，更能体会到理论物理的精妙之处。我们一点点来说，首先这张图的横坐标代表着空间，纵坐标代表了时间，其中有一条45角斜向上方的线，它其实就是黑洞的视界面。为什么是一条45的斜线？因为在这幅图中由于光速恒定，光束将会沿着45角做直线运动，所以视界面是一条笔直的45角斜线。
　　也就是说，斜线上方的区域就是黑洞的内部，斜线下方的区域则是我们所处的正常时空。另外因为坐标转换原因，这里的线并不真的是一维的线，它其实是一个超曲面，所以说这条线虽然看起来是根线，其实它是视界面，而奇点在这里则成了一条线，也就是视界面上方这条带毛发的线，这条奇点线的未端，向上延伸会无限接近视界面。这也是为什么说一旦越过了视界面，只要你的速度超不过光速，那你未来必将撞向奇点，一个普通得不能再普通的时空结构已经描述完了。
　　但是在广义相对论中，任何坐标变换对于物理定律来说都是成立的，包括坐标的取值范围，也就是把时间和空间反演进行坐标延拓，先拿时间来说，如果我们把时间取负值向下延拓，那么我们会得到一个与上面黑洞完全对称的东西，没错这就是白洞。在这里同样存在一个向下的45角的视界面，而视界面下方带毛发的线，则是白洞的奇点。不同的是，这是一个过去奇点，在不考虑从哪来的情况下，粒子总是在过去奇点处诞生，然后穿过视界面，来到我们的正常时空，所以很多人觉得当初的大爆炸就很像是一个奇点。
　　白洞是克鲁斯卡时间坐标延续的正常结果，是一个数学上的预言，而在物理上，白洞这种系统不可能稳定的存在，所以通常情况下只画这个图的上半部分就可以了，除了时间坐标，空间坐标同样可以延拓，也就是说，刚才是上下镜像，现在我们把这张图再左右进行镜像，不管黑洞还是白洞，刚才我们说的，都是它们面朝我们的区域，而这个延拓意味着，这部分区域是背对着我们的，也可以认为是我们这个空间的一个镜像，在那里也有着只进不出的黑洞，以及那个只出不进的白洞。
　　它们的正常时空也和我们完全一样，这里再强调一次，理论上来说，不管对于图中哪个象限的空间，物理定律都是一视同仁的，所以我们暂时没有理由去否认它的存在，至于这个空间在哪，是仍在我们这个宇宙中，但是是遥远的和我们没有任何因果关系的一个区域，还是说它压根位于另一个平行宇宙，这都不好说，那有没有虫洞什么的可以让我们过去一探究竟呢？
　　对于这两个镜像的时空，在史瓦西几何中可以存在一个连接两个时空的通道，这就是人们得到的第一种虫洞解，史瓦西虫洞，但是这个史瓦西虫洞存在的时间极其短暂，很容易崩溃，任何东西都无法从中穿过，所以它是一个无法穿越的虫洞，那理论上有没有可以穿越的虫洞呢，有倒是有，不过那是一条永不回头的不归路，假设我们先不考虑进入的安全性这回事儿，仅讨论理论上的可行性。
　　从克鲁斯卡图上可以发现，要想从右边去到左边，黑洞或白洞是我们的必经之路，但是白洞目前还没有发现，而且我们压根也进不去，白道不行那我们只能走黑道了。所以一旦跨过视界面，我们将不可避免地撞向奇点，根本就没法从那边的黑洞出去，难道我们只能等着那边也进来个人，然后你们两个当面聊一聊。关键你俩聊到最后，还是都会一起撞向奇点，真可谓朝闻道夕死可矣，那真的就没办法了吗？
　　1963年，新西兰数学家罗伊克尔研究发现，由恒星圩缩形成的黑洞似乎都会旋转，因为恒星通常是带自转的，由于角动量守恒，所以最终毋缩成的黑洞也会自转，所以史瓦西的静态黑洞解，在物理上并不是最佳解，会旋转的克尔黑洞才是现实中的黑洞应该有的样子，克尔认为，这种由恒星形成的黑洞，最终会因为自转变成扁平的梢球形，包括中心的奇点也不再是点，而是被拉成了线，并且扭曲成了环，所以也叫奇环。
　　于是，人们得出了一个惊人的结论，如果我们是从黑洞自转轴的正上方进入黑洞的话，理论上我们或许可以避免撞向奇环，甚至可以进入对面的镜像宇宙，这个能够让物质穿透黑洞的路径，就是一种可穿越虫洞，以上说的这些虫洞，基本上都是通过一个黑洞，将左右两个正常的时空进行了连接，而大名鼎鼎的爱因斯坦罗森桥虫洞，则是将黑洞和白洞进行了连接，也就是把克鲁斯卡图中上下两个区域进行了连接。
　　不过这种虫洞仍然是属于不稳定的不可穿越虫洞，不过后来霍金基普索恩他们继续开脑洞，试图从量子场论中找到能够将虫洞稳住的方法，于是后来出现了通过负物质创造的排斥效应，来防止虫洞关闭的想法。不过这些想法因为包含了太多猜测成分在里面，所以目前还算不上严格的理论，不知道你发现没有，从本期一开始就特地强调了，是单从广义相对论角度来解释虫洞，因为虫洞现在已经是个有点泛的概念了，这个词现在已经被用在了很多地方，比如经常说的量子纠缠，它在一定意义上就可以被认为是，通过某种虫洞进行的连接，所以除了传统的广义相对论中的时空虫洞外，在量子理论甚至弦论中，都有虫洞的概念，甚至只要是两个互不相关的东西发生了连接，你都可以说是它们之间存在着虫洞。