掉进黑洞的宇航员会遭遇怎样的命运？
如果一个宇航员不慎掉进黑洞，那么他会遭遇怎样的命运？
在他进行探险之前，需要先强调一件事：由于连光也无法逃离黑洞的魔爪，人类其实根本无法获取黑洞内部的任何信息。换句话说，这次的探险之旅，完完全全基于理论家们的猜想。
可能性最大的是，他会非常悲惨地死去。害他死于非命的罪魁祸首，就是潮汐力
下图展示了潮汐力的基本原理。牛顿爵士告诉我们，任意两个物体之间都存在着引力，而且引力的大小与这两个物体间距离的平方成反比。所以，月球对地球施加的引力，在不同的地方会有不同的大小。在离月球最近的月下点，月球的引力最大；而在离月球最远的对跖点，月球的引力最小。这种由于受力物体自身大小而导致的引力差异，就是所谓的潮汐力。
潮汐力的基本原理。图片来源：sxdtdx.edu.cn
潮汐力会对受力物体产生撕扯的效果
知道了潮汐力的概念，我们就可以回过头去，看看那个倒霉的宇航员了。假设他像跳水似的，头朝下脚朝上地落向一个质量是太阳质量10倍的黑洞中心。由于宇航员的头离黑洞中心较近，而脚离黑洞中心较远，他就会受到黑洞潮汐力的撕扯。
假设人体能承受的压力极限是100倍的大气压（大概相当于每平方厘米都压着200斤的重物）。也就是说，当黑洞潮汐力超过100倍的大气压之时，这个宇航员就会一命呜呼。计算表明，在与黑洞中心相距大概400千米的地方，宇航员受到的黑洞潮汐力就会达到100倍的大气压。利用史瓦西半径公式，可以算出此黑洞的视界半径约为30千米。这意味着，在进入黑洞视界之前，宇航员就已经被黑洞潮汐力撕裂而死了。
但这并不是这个倒霉宇航员最后的结局。随着宇航员离黑洞中心越来越近，他所受到的黑洞潮汐力也会越来越大。最后，黑洞潮汐力会强大到足以把宇航员撕得只剩原子。换句话说，在黑洞潮汐力的撕扯下，这个宇航员最后会变成一股由原子组成的娟娟细流，进而汇入黑洞中心的奇点。他就这样以原子细流的形式彻底消失，留不下哪怕一丝一毫的生前的信息。
但是特别悲惨地死去，并非这个宇航员唯一可能的结局。
另一种可能的结局相当科幻。这个宇航员有可能穿越黑洞中心，然后借助一条很特殊的通道，跑到非常遥远的另一片宇宙区域。换言之，掉进黑洞的宇航员，有可能实现太空旅行。
为了科普宇航员为什么能进行太空旅行，我们得先来介绍一个因祸得福的年青人。此人就是美籍以色列裔物理学家纳森·罗森。
纳森·罗森。图片来源：Wikimedia Commons
20世纪20年代，罗森考上了麻省理工学院，主修当时颇为热门的机电工程专业。不过还没等到他毕业，美国就爆发了著名的大萧条，从而让机电工程专业的工作机会出现了断崖式的下跌。无奈之下，罗森选择了转行，留在麻省理工学院攻读物理学博士学位。
1933年，对罗森而言是非常不平凡的一年。那一年，他博士毕业，在密歇根大学找了一份博士后的工作。同样在那一年，幸运之神向他伸出了橄榄枝：有一个非常传奇的大人物看上了罗森的才华，并邀请他做自己的助手。这个邀请，改变了罗森的一生。
这个改变了罗森一生命运的大人物，就是我们的老朋友爱因斯坦。
1934年，罗森去了普林斯顿高等研究院（简称IAS），成了爱因斯坦的研究助手。他在IAS呆了两年，并与爱因斯坦合作写了三篇划时代的论文。这三篇论文提出了三个具有里程碑意义的重要概念，分别是EPR佯谬、引力波和爱因斯坦-罗森桥
EPR佯谬是爱因斯坦一生中引用最高的论文。这篇论文提出的量子纠缠的概念，目前已经成了物理学最热门的领域之一。
引力波是广义相对论的最后一个预言。人类花了整整一百年的时间，才得以确认它的存在。对于引力波的探测，曾先后两次获得诺贝尔物理学奖。
而爱因斯坦-罗森桥，为落入黑洞的宇航员提供了太空旅行的可能性。
为了科普爱因斯坦-罗森桥，我们得先介绍一个新概念，那就是白洞。
让我们在脑海里先放一段关于黑洞的小视频。在黑洞强大引力的吸引下，很多物体都从四面八方向黑洞中心坠落；而且一旦进入黑洞的视界，它们就再也别想逃离黑洞的魔掌。
好，现在把这段视频倒着放。由于强大的斥力，很多物体都从某天体的中心向四面八方飞散；而且一旦飞出了某个边界，它们就再也别想重新进入此天体的势力范围。这种只能出不能进的诡异天体，就是所谓的白洞。和黑洞一样，白洞也是爱因斯坦引力场方程的一个精确解。
知道了白洞的概念以后，我们就可以做一件开脑洞的事了：把一个黑洞和一个白洞套在一起。下图展示了黑洞套白洞的时空结构。上面的“漏斗”代表黑洞，而下面的“漏斗”代表白洞。这样一来，只要穿过中间那条连通两者的通道，掉入黑洞的宇航员就可以从白洞里跑出来。
黑洞套白洞的时空结构。图片来源：Wikimedia Commons
可能有读者会问了：“为什么穿过黑洞套白洞的通道就能实现太空旅行呢？”下图就展示了其中的奥秘。
能实现太空旅行的原因。图片来源：Wikimedia Commons
众所周知，我们生活在三维空间里。现在，让我们把三维空间想象成二维空间。这样一来，三维空间就可以用上图中的那个二维平面来代替。爱因斯坦的广义相对论告诉我们，大质量的天体可以让时空发生弯曲。因此，真实的三维空间可以像上图中的那个二维平面，发生极为剧烈的弯曲或折叠。正常情况下，我们要想从宇宙的一端跑到另一端，需要走红色的那条路线。但要是存在一条黑洞套白洞的通道，我们就可以走绿色的那条路线了。换言之，我们可以抄这条黑洞套白洞的近路，进而实现太空旅行的目的。唯一的遗憾是，这条近路是一条单行道，典型的有去无回。
在1935年的一篇文章里，爱因斯坦和罗森指出，爱因斯坦场方程确实存在一个史瓦西黑洞（只有质量、无自转、无电荷的黑洞）套史瓦西白洞的解。这个史瓦西黑洞套史瓦西白洞的解，就是爱因斯坦-罗森桥。
其实在爱因斯坦和罗森看来，爱因斯坦-罗森桥仅仅是一个纯粹的数学游戏。这两人根本不相信黑洞的存在，就更别提什么黑洞套白洞了。
20世纪60年代，老顽童约翰·惠勒也跑来凑热闹了。他写了篇论文，给这种黑洞套白洞的通道起了一个新名字：虫洞
顺便多说一句。虫洞代表所有黑洞套白洞的通道，而爱因斯坦-罗森桥只是虫洞的一种，即史瓦西黑洞套史瓦西白洞。
尽管提供了太空旅行的可能性，但在长达半个世纪的时间里，虫洞理论一直受到物理学家的冷落。这是因为，要想抄虫洞这条近路进行太空旅行，会遇到两只非常可怕的拦路虎。
第一只拦路虎是，黑洞的中心区域有一个奇点。这是大质量恒星塌缩后形成的一个密度无穷大的点。不管是什么东西，只要离它过近，就会被它的潮汐力撕成由原子构成的细流。更要命的是，在史瓦西黑洞中，奇点就位于正中心的位置，根本没有躲开的可能。
在20世纪60年代，人们找到了对付第一只拦路虎的办法。解决问题的关键是，要让黑洞开始自转。
之前，我们一直在谈论史瓦西黑洞，这是一种有质量、无自转、无电荷的黑洞。除了这种最简单的黑洞以外，科学家们发现爱因斯坦场方程还存在其他的黑洞解。举个例子。1963年，新西兰数学家罗伊·克尔提出了所谓的克尔黑洞，这是一种有质量、有自转、无电荷的黑洞。而有质量、有自转、有电荷的黑洞则是在1965年提出的，这就是所谓的克尔-纽曼黑洞。
罗伊·克尔（右一）。图片来源：Wikimedia Commons
一旦黑洞开始自转，情况就大为改观了。这是因为黑洞的快速自转能改变黑洞奇点的形状。此时，密度无限大的就不再是一个位于正中心的点，而是一个位于赤道上的圆环。这样一来，宇航员（或者他乘坐的飞船）就可以从圆环中间穿过，而不会被直接摧毁了。
宇航员的飞船从圆环中间穿过。图片来源：Yaplakal.com
相对于第一只拦路虎，第二只拦路虎就更可怕了。这只拦路虎是，虫洞本身非常不稳定，很容易就会发生引力塌缩。说得更通俗一点，虫洞其实是一个豆腐渣工程；只要有点风吹草动，这条连接了黑洞和白洞的通道就会塌掉。
一直到20世纪80年代，才有人找到对付第二只拦路虎的办法。
故事要从美国天文学家卡尔·萨根的一次求助说起。1981年，因为主讲科普纪录片《宇宙》而名声大噪的卡尔·萨根，与一家出版公司签订了一份合同；他得到了创纪录的200万美元预付款，承诺要写一本描述地球人与外星人发生接触的科幻小说。但作为一名研究行星的专家，萨根不知道怎么才能让外星人跨越遥远的空间来到地球。所以他就向自己的一个朋友求助。这个朋友，就是约翰·惠勒的高徒、美国著名物理学家基普·索恩。
基普·索恩。图片来源：Wikimedia Commons
索恩一生中最大的科学贡献，就是于2015年首次直接探测到了引力波的存在。由于这个贡献，他在短短两年之后就获得了诺贝尔物理学奖。
此外，索恩也是一个特别喜欢打赌的人。他在自己办公室的墙上挂了10个相框，里面放的全是他与其他科学家的赌约。其中最有名的赌约，就是“天鹅座X-1到底是不是黑洞”。这让他从霍金那里赢了整整一年《阁楼》杂志。当然，索恩也赌输过。他曾和普林斯顿大学天文系主任奥斯泰克打过一个赌，说人类在 20 世纪就可以探测到引力波。结果证明，索恩远远低估了探测引力波的难度，不得不在 21 世纪的第一天，输给奥斯泰克一大箱红酒。
面对萨根的求助，索恩向他推荐了虫洞。基于利用虫洞进行太空旅行的设定，萨根在1985年出版了《超时空接触》；此书在两年之内就卖出了170万本，后来还被改编成了一部同名的好莱坞大片。
而萨根的求助，也激发了索恩对太空旅行的强烈兴趣。他意识到靠虫洞旅行的最大障碍，就是虫洞很容易坍塌，从而把旅行者砸扁。经过数年的研究，索恩终于找到了一种阻止虫洞坍塌的机制。为此，他需要用到一种非常反直觉的物质，也就是所谓的“奇异物质”。
“奇异物质”与普通物质最大的区别是，它产生的不是引力，而是斥力。这种斥力可以抵抗虫洞的引力塌缩，从而维持虫洞通道的稳定。
那么这种产生斥力的“奇异物质”是否真的存在呢？答案是，理论上确实有存在的可能。
收拾掉这两只拦路虎以后，利用虫洞进行太空旅行的想法，就不再是一个纯粹的幻想，而成了一个严肃的科学话题。
顺便多说一句。看到萨根因为写科幻小说而名利双收，索恩也心痒起来。在21世纪初，索恩也写了一个利用虫洞进行太空旅行的剧本；2014年，这个剧本被好莱坞大导演克里斯托弗·诺兰搬上了大银幕，这就是著名的《星际穿越》。
《星际穿越》海报。图片来源：Sequart organization
最后，让我们来做一个简单的总结。
正常情况下，落入黑洞的宇航员会被黑洞的潮汐力撕成由原子构成的涓涓细流。但如果这个黑洞在以很高的速度自转，同时其内部还有能产生斥力的“奇异物质”，就有可能会形成一条稳定的、连接黑洞和白洞的特殊通道，也就是虫洞。通过抄虫洞这条近路，宇航员有可能跑到非常遥远的另一片宇宙区域。换句话说，他可以依靠虫洞逃离覆灭的命运，并实现一场单向的太空旅行。
