科普驿站 第九十三期
科目：物理
难度：B1
讲师：弦轴子
电影中还有一个有趣的情节就是利用黑洞穿越到过去。罗慕兰星球附近的恒星演变为超新星最终发生爆炸，摧毁了罗慕兰星球。就在此时赶到的史巴克赶紧用一滴红物质（科幻概念）投入这颗恒星中，让这个超新星直接变成了黑洞。随后，这颗黑洞将尼禄的挖矿船和史巴克的船吸了进去，当他们俩再出来的时候，已经穿越到了过去的时空。那么黑洞到底能不能穿越时空呢？
回答这个问题前，我们先了解一下目前物理学上到底有没有穿越时空的机器。
在物理学上能够制造时间机器的模型就是利用闭合类时曲线。所谓的类时曲线，我们可以理解为有质量的物体的世界线或者在时空上的轨迹。光子走的是类光曲线，超过光速的物体，走的是类空曲线，但是一般这种情况在相对论的体系下不讨论。
因此，只要存在这种闭合的类时曲线，不同时间的同一个人就可以在闭合点相会，所以我们可以利用它制造出时间机器。
好了，现在我们回答原先的问题，穿越黑洞到底能不能穿越时空？
这个问题很复杂，需要分类讨论一下。
首先是能不能穿？黑洞的潮汐力（可以理解为引力差，通常我们在地球上头顶和脚的引力差很低，所以万幸的是地球的引力，并不会把我们撕成两半，但是在一些黑洞或者是致密天体附近，我们头部和脚部引力差太大，有可能超过束缚我们身体的电磁力，从而将我们撕碎，但是万幸的是质量越大的黑洞，潮汐力越温柔，因为它越在小空间内越平缓。所以在星际迷航11中这么小的黑洞，两艘飞船一定会被撕碎，因此，如果想穿越黑洞，我们就要找大一点的黑洞，比如像星际穿越中的卡冈图雅黑洞，它是太阳的一亿倍质量。
由于它质量非常大，所以潮汐力非常温柔，所以当你接近这种黑洞的事件视界，不会被撕碎。
当然，在你穿过黑洞的事件视界后，有可能会被奇点撕碎。黑洞中的奇点至少有三个，经典最常见的就是BKL奇点（稳定奇点），它是一个潮汐力极大的奇点，可以将一切撕碎。它异常凶猛，如果他虚弱，就说明黑洞衰老了或者很久没进食了。还有两种奇点是近十几年前发现的，它们是随你进入黑洞而产生的——下落奇点和外飞奇点。
如果你落入一个黑洞,不可避免地,在你之后还会有许多东西进去,比如气体、尘埃、光、引力波等等。
从黑洞外面看,这些东西需要几百万年至几十亿年才能掉进去。但是从黑洞里面看来,那只是几秒钟或更短的时间,因为相对黑洞来说,你的时间将极端变慢。结果是,你看到这些东西全部堆积在一个薄片上,将以光速或接近光速朝黑洞里面同你的方向落下。这个薄片能产生很强的潮汐力,并扭曲周围的空间,而且,如果它碰到了你,你也将被扭曲。
潮汐力会逐渐增强到无穷大,形成一个下落奇点。
外飞奇点与下落奇点一样,由在你之前掉进黑洞的物质(气体,尘埃,光,引力波等)产生。那些东西的很小一部分被黑洞里弯曲的时空反弹,然后向你飞来,就像太阳光被弯曲平滑的海浪所反射,让我们看到一幅波浪的图景一样。
被弹起的物质由于黑洞内极慢的时间流逝而被压缩成了一层,就像音爆一样。由这些物质的引力所产生的潮汐力会增长到无限强,从而变成一个外飞奇点。
然而，这两个奇点的潮汐力增长得十分迅速和突然，所以，如果你碰到它们，那你在通过奇点的瞬间受到的净形变量也是有限的,而不是无限的。当你到达奇点时,如果你的身体只有一部分被潮汐力瓦解,你就有可能还活着。
如果前面假设都成立，那么黑洞可不可以穿越时空呢？这个问题可以理解为黑洞中存不存在闭合类时曲线？在回答这个问题之前，我们简单介绍一下黑洞。
众所周知，在广义相对论的框架之下，黑洞的所有特征可以用三个物理量描述，分别是电荷、质量和角动量。这就是经典黑洞的“三个毛发”。除此之外，你得不到任何关于黑洞的其他信息。
因此，按照这“三个毛发”，黑洞大致可以分为四种类型：
第一种类型就是呈现电中性（电荷为零），不自转也就是角动量为零，对外只有一个特征——质量。这种黑洞被称之为史瓦西黑洞，最早由史瓦西解出来。
第二种就是携带电荷，有质量，但是不自转的黑洞，被称为雷斯纳——诺兹特朗黑洞。
第三种类型的黑洞就是不携带电荷，有质量，但自转的黑洞最早由克尔解出来，被称为克尔黑洞。
第四种类型的黑洞就是三个模块都有携带电荷有质量，而且自转的黑洞，这种黑洞在我们宇宙中最为普遍，也是最接近于真正黑洞的黑洞模型被称为克尔-纽曼黑洞。
第一种类型的史瓦西黑洞内部不存在闭合类时曲线，有一条类空曲线连接着我们的宇宙和另一个与我们平行的，毫无联系的宇宙，由于是类空曲线，显然我们不可能穿过，因此，利用史瓦西黑洞进行时间穿越是不可能的。
第二种类型的雷斯纳——诺兹特朗黑洞确实有一条类时路径，观察者有可能沿着这条路径进入不同的区域宇宙。但是在之前有可能撞到内事件视界（这种黑洞有两个事件视界，一外一里，对于史瓦西黑洞，这两个视界是重合的），也就是柯西视界，在柯西视界上四面八方的光线产生无限蓝移，所以越过柯西视界就会遇到非常危险的伽马暴，这种强烈的辐射可以摧毁一切。
第三种和第四种黑洞是差不多的，区别大概就是内部结构。克尔-纽曼黑洞内的无限红移面（会产生无限红移，但它不是事件视界，对于史瓦西黑洞，它的无限红移面和事件视界又是重合的）不与奇环（因为黑洞是自转的，所以它的质量不是集中在一个点上，而是一个薄薄的环上）接触。这两种黑洞的奇环有可能存在闭合类时曲线，但是我们利用这个回不到过去。当然也存在着一些类时曲线可以让我们进入其他宇宙，不幸的是，就像第二种类型的黑洞一样，柯西视界会摧毁这些跨宇宙旅行者。
因此，综上所述，任何穿越黑洞的行为都是非常危险的，而且不会让你活着穿越时空，也几乎不可能去往另一个平行的宇宙。因此，一个合格的时间机器必须不存在危险的柯西视界，也不存在奇点，并且非常稳定至少能让穿越者安全的穿过，最重要的是机器的潮汐力不能够分解穿越者。那么有没有这种合适的模型符合这些要求，从而改成时间机器呢？
答案是有的，那就是虫洞——准确来说是可穿越的洛伦兹型虫洞。虫洞是广义相对论爱因斯坦引力场场方程的一种特殊的解，它描述连接两个平坦时空区域的一个“桥梁”。这个概念最早是1935年，爱因斯坦和以色列物学家罗森一起发表的，这篇文章中的虫洞被称为爱因斯坦-罗森桥。但是这篇文章中的这个桥是不能穿越的，因为它是一个类空曲线。如果有虫洞存在类时曲线，那么它就是可穿越的虫洞。而且虫洞的潮汐力还必须没那么大，至少要温柔一点，所以它的尺寸要尽量大一点，就像巨型黑洞一样。而且他的结构还要稳定，至少旅行者要平稳地穿过。根据物理学家计算表明，如果想维持承重的稳定，必须需要一种奇怪的物质，奇异物质。这种物质有一种奇异的性质，那就是总可以选择一个惯性系中被穿过，观测这种物质能量密度必须小于零，也就是负能量密度。计算研究表明，这种物质可以维持虫洞的结构。但是这种物质目前看来在自然界少得可怜，我们知道的制造方法就只有利用卡西米尔效应。这个效应指的是如果把两块很大的导体板面对面放在真空里，那么它们之间有一个微小的吸力。这个吸力的存在性已被实验证实。
这个效应的根源是谐振子的零点能，就是说一个振子的最低能量不是0而是一个很小的正数。这是一种量子效应，经典的谐振子没有零点能。两个板之间的能量有可能低于零点能。但是利用这种效应去制造出来的奇异物质却少得可怜。
所以目前虽然已知有这种模型，但是关于这种模型的具体形成机制尚未证明，更能进行实验观测到它。所以时间机器仅仅是在理论上成立，距离实际还很遥远。
假设我们真的可以穿越回过去，那么，我们可以改变过去吗？改变过去会影响我们的未来结果吗？换句话说，改变过去会影响我们穿越过去的根基吗？
比如最著名的外祖父悖论，有人穿越回过去，杀死他的外祖父，让她的母亲无法出生，自己就无法出生，如果自己都无法出生，那他就不可能做出后来的事情，包括穿越到过去，杀死他的外祖父。这类的穿越悖论主角各种各样，有的是人，也有的是台球，不过他们都有唯一的共同点，那就是穿越到过去，去改变穿越过去的根基。也就是如果穿到过去改变过去的一些事情，就会导致穿越到过去这本身的过程是没法发生的，既然已经破坏，穿越到过去这个过程，那么又怎能穿越到过去而改变过去呢？大多数物理学家认为总有一种机制会保护这种时空的连贯性，比如霍金认为某种未知的机制，或者是量子引力，将会破坏这种时间机器的形成，从而保证时间连续性不会被破坏，这种猜想被称为“良序保护”。物理学家波尔钦斯基提出过一个台球悖论，这个悖论说的是如果我们把一个台球扔进一个能帮助我们穿越时空回到过去的虫洞里，台球就会在穿过虫洞后沿着自己的轨道撞击自己，这就使得过去本身因为被撞击而偏离了它的路线，并且无法进入虫洞，这就形成了一个悖论。在过去，它根本没有进入虫洞，那它怎么能回来打自己呢？更进一步，波尔钦斯基把台球想象成一个微观粒子，一个微观粒子从A点到B点走的路径是有无数条的，当然，在我们宏观事件中观察粒子只能走一个轨迹。但是你查到费曼的路径，积分观点认为粒子走各种道路的可能性都是存在的，只是不同轨道所贡献的概率波幅相位不同而已，有些轨道贡献的波幅会叠加在一起，相位不同的会抵消而相同的会加强，加强的那个在我们观察就是粒子所走的那个轨迹。
所以波尔钦斯基提出一个观点，认为任何破坏因果性的概率为零，换句话说就是破坏台球，回到过去的路径的概率会抵消，自然不会让这种事情发生。除了这两种解释，对于时间连续性或者因果性保护以及解释这种悖论的猜想还有很多，这里就不一一赘述了。
电影中还有其他有趣的科学设定，由于篇幅问题，这里就不继续逐个讨论了。在这篇文章中我们仅仅是指出其中一部分的科学设定，用物理的角度去看待，去构想可能存在的物理模型。需要强调的是，读者切勿将科幻设定与实际的科学实践混为一谈。
那回到我们最开始说的，科幻电影的科学设定不一定是基于现代科学，它们可能会告诉我们一些想法，然后我们用物理学的角度去无限的接近，去找物理学上成立的模型去无限地靠近，这个过程是极其富有探究性的。这大概就是理科生更加有体会的科学与科幻碰撞的脑洞趣味吧！
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