黑洞FAQ
原文Philip Gibbs 谷锐译
这个问题可以分解成以下三个更特定的问答。
有些人很难理解为什么大爆炸不是一个黑洞。毕竟物质它在其最初的几分之一秒内的密度比所有已知恒星的密度都高得多，而且如此高密度的物质理应强烈地扭曲时空，当密度足够大时，一定会出现一个相对于其内部质量而言尺寸小于史瓦西半径(Schwarzschild Radius)的区域。然而大爆炸设法避免了限于自己制造的黑洞之中并且令人不可思议的是奇点附近的空间实际上并未紧紧地卷曲反而展平了。这是怎么回事？
简单的回答是这样的：因为大爆炸在初始时刻膨胀得很快而此后膨胀速率才逐渐降低，所以它避免了变成黑洞。空间可以被展平而时空不会。卷曲可以来自于时空尺度的时间部分。该尺度确定了宇宙膨胀的减速度。因此时空卷曲的总和与物质的密度有关，但膨胀和任何空间的卷曲对其都有影响。史瓦西关于引力方程的解是静态的，而且是一个静态球体坍缩成黑洞前的极限。史瓦西极限不适用于快速膨胀的物质。
标准的大爆炸模型是佛莱德曼-罗勃特森-沃尔克(FRW)(Friedmann-Robertson-Walker)对于广义相对论引力场方程的解系。这些解可以用来描述开放或闭合的宇宙。所有的FRW宇宙都在时间的原点处有一个奇点以代表大爆炸。黑洞也有奇点。并且一个没有光可以从中逃逸的封闭宇宙的定义于一个黑洞的定义是完全相同的。那么区别在哪里呢？
第一个显著的区别是FRW模型中的奇点位于该宇宙中所有事件的过去，而黑洞的奇点存在于未来。因此大爆炸更象一个作为黑洞在时间上反转的白洞。依据经典的广义相对论，与黑洞不可被消灭的（时间反转的）原因一样，白洞不能存在。如果它们存在这（指上述解释，译者）可能就不适用了。
但一个标准的FRW黑洞模型也和白洞不同。白洞有一个作为黑洞反转的白洞的视界。任何东西都不能进入白洞的视界，同样也不能逃离黑洞的视界。大致而言，这就是白洞的定义。注意，这本可以简单地用于比较FRW模型与标准黑洞或白洞模型（如静态史瓦西(Schwarzschild)或旋转的凯尔(Kerr)解）的不同。但对于与更一般的黑洞或白洞比较而言，这就困难得多。真正的区别在于FRW模型没有与黑洞或白洞同型的视界。在白洞视界之外的坐标轴可以追溯到无穷远的过去而不会触及白洞的奇点，而在FRW宇宙中所有的坐轴都源于奇点。
在前面的问答中我非常小心地只讨论了标准FRW大爆炸模型与黑洞或白洞的不同。真实的宇宙与FRW宇宙可能有所不同，我们能排除它是一个黑洞或白洞的可能吗？在此我不想讨论诸如“奇点到底存在吗？”一类的问题，而是假设广义相对论在我们所讨论的范围内是正确的。
前述对于否定大爆炸是黑洞的讨论仍然适用。黑洞的奇点总是位于未来的光锥内而天文学的观测已清楚地指出大爆炸发生于过去。有可能大爆炸实际上是白洞的遗物。
FRW模型的主要假设（前提）是宇宙在宏观上看是同质的、等温的。这也就是说：在任何给定的宇宙时间（点）上，从任何方向看，它都是相同的。天文学很好地证明了星系的分布在几百万光年以上的大尺度范围内是相当同质和等温的。这种高度的宇宙背景辐射（CBR）的等温性有力地支持了同质性。然而可观测的宇宙的尺寸受光速和宇宙年龄所限。我们只能看到大约100到200亿光年远（的东西），这大约是已知星系分布结构尺寸的100倍。
同质性总是一个争论中的话题。宇宙自身（的尺寸）很可能是我们可观测的几百万的数量级以上，或许就是无限的。天文学家马丁.瑞斯（Martin Rees）将我们的观测比喻为从大海深处的一艘船上观察海洋。当我们排除近处波浪的影响向外看时，我们显然会发现海是无边无际并且有无穷特征的。从船上看来，地平线只在几英里之外，而海洋可能还要延伸成百上千英里远才有陆地。当我们用我们最大的望远镜观察宇宙时，我们的视野也被限制在一个有限的范围内。不论物质（的分布）看起来有多么均匀，我们都不可能假定在我们视野之外也是如此。因此同质性在比我们可观测的宇宙大得多的尺度上而言是十分不确定的。我们可能在哲学上对此（进行）争论，但无法验证它。
因此我们会问宇宙中是否存在同FRW模型一样可供持久观测的白洞模型呢。有些人起初认为答案一定是否，因为白洞（和黑洞一样）有潮汐力，它在不同的方向上（进行）挤压或拉伸。因此它们与我们所观察的（东西）完全不同。因为这只适用于没有物质存在的黑洞的时空，所以这并非定论。恒星内部可以没有潮汐力。
与宇宙观测相一致的白洞模型应是恒星坍缩成黑洞的时间的反转。作为一个良好的近似，我们可以忽略压力而将其视为一个除引力外无内部作用力的球形星尘云。自从1939年施耐德（Snyder）和欧文海默（Oppenheimer）的开创性工作以来，恒星的坍缩就一直被密切地注意并研究着。（因此）这种简单的情形很好理解。有可能可以（在不考虑压力的情况下）建造一个精确的恒星坍缩模型：在球形形体的外部将所有的FRW解和其外部的史瓦西解粘合在一起。
接下来的问题是：如果星尘球比可观测的宇宙要大得多的话，作为时间反转的星尘球坍缩的这个模型与FRW模型就会无法区分。另言之，我们不能排除宇宙是一个极大的白洞的可能。（这）只有等上几十亿年直到球的边界进入我们的视野时才能知道。
必须承认如果我们放弃同质等温的假设，还有许多其他可能的宇宙模型，其中有些拓扑结构并不太复杂。但从这些理论中难以推导出任何象这样（指FRW模型，译者）严谨的东西。最令人兴奋的假设是在1987年由海勒比（C.Hellaby）提出的：他构想宇宙初创是一串相互隔绝的珠子，在某一确定时刻它们各自独立地爆裂出洞并合并成宇宙。这些都可用一个广义相对论的精确的单解所描述。
有关本问答的最后一个问题：施坦芬.霍金（Stephen Hawking）提出，一旦计算量子效应，白洞和黑洞的界限将不会象它们看上去那么清晰。这是因为霍金辐射证明黑洞可以丢失物质（参相对论FAQ霍金辐射的文章）。一个处于热平衡态的向四周散发辐射的黑洞可能是关于时间对称的。如果是这样，它就和白洞相同。对于这个观点的争论还很多。但如果它是正确的，它将意味着宇宙可能同时既是白洞又是黑洞。或许真正的答案更古怪。换言之，谁知道呢？
参阅：
关于FRW标准模型、黑洞解，特别是作为FRW与史瓦西黑洞解的结合的星尘坍缩模型的数学细节，见Misner, Thorne和Wheeler, Gravitation Freeman(1973)
一本给出全面地导述含有白洞解的非匀质宇宙的书：Andrzej Krasinski Inhomogeneous Cosmological Models, Cambridge University Press (1997)
关于霍金认为黑洞也是白洞的书，见Hawking和Penrose, The Nature of Space and TIme,Princeton(1996)
Martin Rees在其优秀的关于大海中观测的比喻的书，见Rees, Before the Beginning, Our universe and others, Simon and Schuster, (1997)
十分感谢Andrzej Krasinski提供关于非匀质宇宙的资料。