如果一個宇航員不慎掉進黑洞，那麼他會遭遇怎樣的命運？

　　在他進行探險之前，需要先強調一件事：由於連光也無法逃離黑洞的魔爪，人類其實根本無法獲取黑洞內部的任何信息。換句話說，這次的探險之旅，完完全全基於理論家們的猜想。

　　可能性最大的是，他會非常悲慘地死去。害他死於非命的罪魁禍首，就是潮汐力。

　　下圖展示了潮汐力的基本原理。牛頓爵士告訴我們，任意兩個物體之間都存在着引力，而且引力的大小與這兩個物體間距離的平方成反比。所以，月球對地球施加的引力，在不同的地方會有不同的大小。在離月球最近的月下點，月球的引力最大；而在離月球最遠的對跖點，月球的引力最小。這種由於受力物體自身大小而導致的引力差異，就是所謂的潮汐力。

　　潮汐力會對受力物體產生撕扯的效果。正是由於月球潮汐力的撕扯，地球上纔會有潮起潮落。天體的質量越大，其潮汐力的撕扯效應就越明顯。在20世紀90年代初，木星的潮汐力把舒梅克-利維九號彗星撕成了21塊碎片。

　　知道了潮汐力的概念，我們就可以回過頭去，看看那個倒黴的宇航員了。假設他像跳水似的，頭朝下腳朝上地落向一個質量是太陽質量10倍的黑洞中心。由於宇航員的頭離黑洞中心較近，而腳離黑洞中心較遠，他就會受到黑洞潮汐力的撕扯。

　　假設人體能承受的壓力極限是100倍的大氣壓（大概相當於每平方釐米都壓着200斤的重物）。也就是說，當黑洞潮汐力超過100倍的大氣壓之時，這個宇航員就會一命嗚呼。計算表明，在與黑洞中心相距大概400千米的地方，宇航員受到的黑洞潮汐力就會達到100倍的大氣壓。利用史瓦西半徑公式，可以算出此黑洞的視界半徑約爲30千米。這意味着，在進入黑洞視界之前，宇航員就已經被黑洞潮汐力撕裂而死了。

　　但這並不是這個倒黴宇航員最後的結局。隨着宇航員離黑洞中心越來越近，他所受到的黑洞潮汐力也會越來越大。最後，黑洞潮汐力會強大到足以把宇航員撕得只剩原子。換句話說，在黑洞潮汐力的撕扯下，這個宇航員最後會變成一股由原子組成的娟娟細流，進而匯入黑洞中心的奇點。他就這樣以原子細流的形式徹底消失，留不下哪怕一絲一毫的生前的信息。

　　但是特別悲慘地死去，並非這個宇航員唯一可能的結局。

　　另一種可能的結局相當科幻。這個宇航員有可能穿越黑洞中心，然後藉助一條很特殊的通道，跑到非常遙遠的另一片宇宙區域。換言之，掉進黑洞的宇航員，有可能實現太空旅行。

　　爲了科普宇航員爲什麼能進行太空旅行，我們得先來介紹一個因禍得福的年青人。此人就是美籍以色列裔物理學家納森·羅森。

　　納森·羅森。圖片來源：Wikimedia Commons

　　20世紀20年代，羅森考上了麻省理工學院，主修當時頗爲熱門的機電工程專業。不過還沒等到他畢業，美國就爆發了著名的大蕭條，從而讓機電工程專業的工作機會出現了斷崖式的下跌。無奈之下，羅森選擇了轉行，留在麻省理工學院攻讀物理學博士學位。

　　1933年，對羅森而言是非常不平凡的一年。那一年，他博士畢業，在密歇根大學找了一份博士後的工作。同樣在那一年，幸運之神向他伸出了橄欖枝：有一個非常傳奇的大人物看上了羅森的才華，並邀請他做自己的助手。這個邀請，改變了羅森的一生。

　　這個改變了羅森一生命運的大人物，就是我們的老朋友愛因斯坦。

　　1934年，羅森去了普林斯頓高等研究院（簡稱IAS），成了愛因斯坦的研究助手。他在IAS呆了兩年，並與愛因斯坦合作寫了三篇劃時代的論文。這三篇論文提出了三個具有里程碑意義的重要概念，分別是EPR佯謬、引力波和愛因斯坦-羅森橋。

　　EPR佯謬是愛因斯坦一生中引用最高的論文。這篇論文提出的量子糾纏的概念，目前已經成了物理學最熱門的領域之一。

　　引力波是廣義相對論的最後一個預言。人類花了整整一百年的時間，才得以確認它的存在。對於引力波的探測，曾先後兩次獲得諾貝爾物理學獎。

　　而愛因斯坦-羅森橋，爲落入黑洞的宇航員提供了太空旅行的可能性。

　　爲了科普愛因斯坦-羅森橋，我們得先介紹一個新概念，那就是白洞。

　　讓我們在腦海裏先放一段關於黑洞的小視頻。在黑洞強大引力的吸引下，很多物體都從四面八方向黑洞中心墜落；而且一旦進入黑洞的視界，它們就再也別想逃離黑洞的魔掌。

　　好，現在把這段視頻倒着放。由於強大的斥力，很多物體都從某天體的中心向四面八方飛散；而且一旦飛出了某個邊界，它們就再也別想重新進入此天體的勢力範圍。這種只能出不能進的詭異天體，就是所謂的白洞。和黑洞一樣，白洞也是愛因斯坦引力場方程的一個精確解。

　　知道了白洞的概念以後，我們就可以做一件開腦洞的事了：把一個黑洞和一個白洞套在一起。下圖展示了黑洞套白洞的時空結構。上面的“漏斗”代表黑洞，而下面的“漏斗”代表白洞。這樣一來，只要穿過中間那條連通兩者的通道，掉入黑洞的宇航員就可以從白洞裏跑出來。

　　黑洞套白洞的時空結構。圖片來源：Wikimedia Commons

　　可能有讀者會問了：“爲什麼穿過黑洞套白洞的通道就能實現太空旅行呢？”下圖就展示了其中的奧祕。

　　能實現太空旅行的原因。圖片來源：Wikimedia Commons

　　衆所周知，我們生活在三維空間裏。現在，讓我們把三維空間想象成二維空間。這樣一來，三維空間就可以用上圖中的那個二維平面來代替。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，大質量的天體可以讓時空發生彎曲。因此，真實的三維空間可以像上圖中的那個二維平面，發生極爲劇烈的彎曲或摺疊。正常情況下，我們要想從宇宙的一端跑到另一端，需要走紅色的那條路線。但要是存在一條黑洞套白洞的通道，我們就可以走綠色的那條路線了。換言之，我們可以抄這條黑洞套白洞的近路，進而實現太空旅行的目的。唯一的遺憾是，這條近路是一條單行道，典型的有去無回。

　　在1935年的一篇文章裏，愛因斯坦和羅森指出，愛因斯坦場方程確實存在一個史瓦西黑洞（只有質量、無自轉、無電荷的黑洞）套史瓦西白洞的解。這個史瓦西黑洞套史瓦西白洞的解，就是愛因斯坦-羅森橋。

　　其實在愛因斯坦和羅森看來，愛因斯坦-羅森橋僅僅是一個純粹的數學遊戲。這兩人根本不相信黑洞的存在，就更別提什麼黑洞套白洞了。

　　20世紀60年代，老頑童約翰·惠勒也跑來湊熱鬧了。他寫了篇論文，給這種黑洞套白洞的通道起了一個新名字：蟲洞。這個名字一直沿用到了今天。

　　順便多說一句。蟲洞代表所有黑洞套白洞的通道，而愛因斯坦-羅森橋只是蟲洞的一種，即史瓦西黑洞套史瓦西白洞。

　　儘管提供了太空旅行的可能性，但在長達半個世紀的時間裏，蟲洞理論一直受到物理學家的冷落。這是因爲，要想抄蟲洞這條近路進行太空旅行，會遇到兩隻非常可怕的攔路虎。

　　第一隻攔路虎是，黑洞的中心區域有一個奇點。這是大質量恆星塌縮後形成的一個密度無窮大的點。不管是什麼東西，只要離它過近，就會被它的潮汐力撕成由原子構成的細流。更要命的是，在史瓦西黑洞中，奇點就位於正中心的位置，根本沒有躲開的可能。

　　在20世紀60年代，人們找到了對付第一隻攔路虎的辦法。解決問題的關鍵是，要讓黑洞開始自轉。

　　之前，我們一直在談論史瓦西黑洞，這是一種有質量、無自轉、無電荷的黑洞。除了這種最簡單的黑洞以外，科學家們發現愛因斯坦場方程還存在其他的黑洞解。舉個例子。1963年，新西蘭數學家羅伊·克爾提出了所謂的克爾黑洞，這是一種有質量、有自轉、無電荷的黑洞。而有質量、有自轉、有電荷的黑洞則是在1965年提出的，這就是所謂的克爾-紐曼黑洞。

　　羅伊·克爾（右一）。圖片來源：Wikimedia Commons

　　一旦黑洞開始自轉，情況就大爲改觀了。這是因爲黑洞的快速自轉能改變黑洞奇點的形狀。此時，密度無限大的就不再是一個位於正中心的點，而是一個位於赤道上的圓環。這樣一來，宇航員（或者他乘坐的飛船）就可以從圓環中間穿過，而不會被直接摧毀了。

　　宇航員的飛船從圓環中間穿過。圖片來源：Yaplakal.com

　　相對於第一隻攔路虎，第二隻攔路虎就更可怕了。這隻攔路虎是，蟲洞本身非常不穩定，很容易就會發生引力塌縮。說得更通俗一點，蟲洞其實是一個豆腐渣工程；只要有點風吹草動，這條連接了黑洞和白洞的通道就會塌掉。

　　一直到20世紀80年代，纔有人找到對付第二隻攔路虎的辦法。

　　故事要從美國天文學家卡爾·薩根的一次求助說起。1981年，因爲主講科普紀錄片《宇宙》而名聲大噪的卡爾·薩根，與一家出版公司簽訂了一份合同；他得到了創紀錄的200萬美元預付款，承諾要寫一本描述地球人與外星人發生接觸的科幻小說。但作爲一名研究行星的專家，薩根不知道怎麼才能讓外星人跨越遙遠的空間來到地球。所以他就向自己的一個朋友求助。這個朋友，就是約翰·惠勒的高徒、美國著名物理學家基普·索恩。

　　基普·索恩。圖片來源：Wikimedia Commons

　　索恩一生中最大的科學貢獻，就是於2015年首次直接探測到了引力波的存在。由於這個貢獻，他在短短兩年之後就獲得了諾貝爾物理學獎。

　　此外，索恩也是一個特別喜歡打賭的人。他在自己辦公室的牆上掛了10個相框，裏面放的全是他與其他科學家的賭約。其中最有名的賭約，就是“天鵝座X-1到底是不是黑洞”。這讓他從霍金那裏贏了整整一年《閣樓》雜誌。當然，索恩也賭輸過。他曾和普林斯頓大學天文系主任奧斯泰克打過一個賭，說人類在 20 世紀就可以探測到引力波。結果證明，索恩遠遠低估了探測引力波的難度，不得不在 21 世紀的第一天，輸給奧斯泰克一大箱紅酒。

　　面對薩根的求助，索恩向他推薦了蟲洞。基於利用蟲洞進行太空旅行的設定，薩根在1985年出版了《超時空接觸》；此書在兩年之內就賣出了170萬本，後來還被改編成了一部同名的好萊塢大片。

　　而薩根的求助，也激發了索恩對太空旅行的強烈興趣。他意識到靠蟲洞旅行的最大障礙，就是蟲洞很容易坍塌，從而把旅行者砸扁。經過數年的研究，索恩終於找到了一種阻止蟲洞坍塌的機制。爲此，他需要用到一種非常反直覺的物質，也就是所謂的“奇異物質”。

　　“奇異物質”與普通物質最大的區別是，它產生的不是引力，而是斥力。這種斥力可以抵抗蟲洞的引力塌縮，從而維持蟲洞通道的穩定。

　　那麼這種產生斥力的“奇異物質”是否真的存在呢？答案是，理論上確實有存在的可能。

　　收拾掉這兩隻攔路虎以後，利用蟲洞進行太空旅行的想法，就不再是一個純粹的幻想，而成了一個嚴肅的科學話題。

　　順便多說一句。看到薩根因爲寫科幻小說而名利雙收，索恩也心癢起來。在21世紀初，索恩也寫了一個利用蟲洞進行太空旅行的劇本；2014年，這個劇本被好萊塢大導演克里斯托弗·諾蘭搬上了大銀幕，這就是著名的《星際穿越》。

　　《星際穿越》海報。圖片來源：Sequart organization

　　最後，讓我們來做一個簡單的總結。

　　正常情況下，落入黑洞的宇航員會被黑洞的潮汐力撕成由原子構成的涓涓細流。但如果這個黑洞在以很高的速度自轉，同時其內部還有能產生斥力的“奇異物質”，就有可能會形成一條穩定的、連接黑洞和白洞的特殊通道，也就是蟲洞。通過抄蟲洞這條近路，宇航員有可能跑到非常遙遠的另一片宇宙區域。換句話說，他可以依靠蟲洞逃離覆滅的命運，並實現一場單向的太空旅行。

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