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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 。
【神秘的“虫洞”原来是这样的！黑洞和白洞之间的桥梁，到底有多神秘？】
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 。
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