倘若我們能觀測一個正在變成白洞的黑洞，那將是我們首次窺見量子引力作用。
圖片來源：ESA/V. Beckmann (NASA-GSFC)
黑洞，一個吞噬一切、讓物質(zhì)有進(jìn)無回的“巨獸”，已經(jīng)為眾人所熟知。那么在宇宙中，與黑洞性質(zhì)完全相反、物質(zhì)只能流出而無法進(jìn)入的天體是否存在？一些天文學(xué)家認(rèn)為，這樣的“白洞”不僅存在，它們還是黑洞的未來——黑洞中的時空將在某個時刻反彈，轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥?。如果這個假說能得到證實，這不僅是人類首次直接觀測到量子引力作用，還可能為宇宙終極問題找出答案。
撰文 | Carlo Rovelli（艾克斯-馬賽大學(xué)理論物理學(xué)家）
翻譯 | 甘立
審校 | 吳非
永遠(yuǎn)不要迷信教科書，即使那些書是偉大科學(xué)家寫的。1972年，諾貝爾物理學(xué)家獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）在其著作《引力與宇宙學(xué)》（Gravitation and Cosmology）中稱，黑洞的存在具有“很強(qiáng)的假想性”。他寫道，“宇宙中任何已知物體的引力場中都不存在（黑洞）”。然而，他完全錯了。幾十年前，射電天文學(xué)家就探測到了物質(zhì)墜入黑洞時發(fā)出的信號，卻沒有意識到這一點(diǎn)。目前，我們有很多證據(jù)表明宇宙中充滿了黑洞。
現(xiàn)在，這個故事或許在白洞中重演。白洞實際是逆向的黑洞，性質(zhì)與黑洞完全相反。在另一本著名的教科書中，相對論巨匠鮑勃·沃爾德（Bob Wald）寫道，“沒有理由相信宇宙的任何區(qū)域與某個白洞相對應(yīng)”——這仍是目前的主流觀點(diǎn)。但世界各地的幾個研究小組，包括我在法國馬賽的團(tuán)隊，最近已經(jīng)開始研究量子力學(xué)助力白洞形成的可能性。仰望星空，宇宙中可能也遍布著白洞。
時空反彈
之所以懷疑白洞可能存在，是因為它能揭示一個未解之謎：黑洞中心發(fā)生了什么。我們觀測到大量物質(zhì)盤旋在黑洞邊緣，之后墜入黑洞。所有這些墜入的物質(zhì)穿過黑洞的表面（我們稱之為“事件視界”，標(biāo)志著無法返回的臨界點(diǎn)），垂直落向黑洞中心。之后發(fā)生了什么呢？我們對此一無所知。
現(xiàn)代物理學(xué)描述引力的最佳理論——愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，黑洞中下落的物質(zhì)最終會集中在一個密度趨近于無限的中心點(diǎn)上，我們稱之為“奇點(diǎn)”。這對應(yīng)著現(xiàn)實的終結(jié)。在這一點(diǎn)上，時間自身將會停止，一切都消失在虛無之中。但這個預(yù)測并不可靠，因為愛因斯坦這一理論的適用范圍并不包括黑洞的中心。在這里，引力變得異常強(qiáng)大，量子效應(yīng)不可被忽視。要理解究竟發(fā)生了什么，我們需要引入量子引力理論。
量子理論常用來解決這類問題。在20世紀(jì)初，經(jīng)典物理理論預(yù)言繞原子核運(yùn)動的電子的能量會呈螺旋式無盡下降。然而，現(xiàn)實世界里并沒有出現(xiàn)這種情況。量子理論解釋了原因：能量的離散性阻止了這一過程。電子的能量只能以特定的量變化，并且它有一個有限的最低能級。
同理，量子效應(yīng)也可以阻止在黑洞中心處的無限大密度，這是由時空本身的離散性所決定的。這種離散性被量子引力理論所預(yù)測，比如我研究的圈量子引力理論（loop quantum gravity, LQG）。在該理論中，不存在密度趨近于無窮大的無限小點(diǎn)。空間由獨(dú)立的單元（量子）組成，這些單位雖然小但是尺寸有限。墜入黑洞的物質(zhì)可以被擠壓成超致密狀態(tài)，稱為“普朗克星”。但之后呢？之后，它們會像普通物質(zhì)下落結(jié)束時那樣：反彈。
但它無法在黑洞中反彈：黑洞內(nèi)的物質(zhì)只能向下運(yùn)動，這就是神奇所在：量子引力讓整個黑洞中的幾何時空反彈。也就是說，物質(zhì)繼續(xù)穿過黑洞的中心點(diǎn)進(jìn)入一個全新、獨(dú)立的時空區(qū)域。在那里，不僅是物質(zhì)，整個時空都在反彈——這就是我們所說的白洞。
黑洞向白洞過渡的藝術(shù)圖。
圖片來源：F. Vidotto/University of the Basque Country
小球彈起時的軌跡看起來，就像球下落的場景在倒放。同理，白洞就像記錄黑洞的電影膠片在倒放。從外部看，白洞和黑洞沒什么不同：它和黑洞質(zhì)量相同，所以物體會被它吸引，并圍繞其轉(zhuǎn)動。但是，黑洞被視界包圍，通過視界的物質(zhì)能夠進(jìn)入但不能逃逸；而白洞被另一種視界包圍，可以通過視界逃逸，但不能進(jìn)入。
由內(nèi)向外
廣義相對論從理論上預(yù)言了白洞存在的可能性。白洞是廣義相對論方程的精確解。但長期以來，白洞一直被視為數(shù)學(xué)產(chǎn)物，而不代表任何真實的東西。就像過去的黑洞一樣，因為很難看到它是如何產(chǎn)生的。
然而，早在20世紀(jì)30年代，愛爾蘭物理學(xué)家John Lighton Synge就發(fā)現(xiàn)，廣義相對論方程的解只要稍作調(diào)整，就有可能使黑洞內(nèi)部的幾何形狀繼續(xù)演化成白洞。量子力學(xué)允許這樣的調(diào)整。
那么，白洞在哪里呢？它會距人們很遙遠(yuǎn)嗎？它由蟲洞連接，還是在另一個宇宙呢？不，我們不需要這些稀奇古怪的猜測。在未來，白洞會在黑洞所在的地方出現(xiàn)。根據(jù)愛因斯坦理論闡述的時空的特殊彈性，“中心的另一邊”很可能就在黑洞的未來。這很難想象，但結(jié)果卻很簡單：在生命的最初階段，黑洞是“黑色的”，物質(zhì)落入其中；但在第二階段，在量子躍遷之后，它會變成“白色”，物質(zhì)會被反彈出去。
要做到這一點(diǎn)，就必須存在這樣一個時刻：視界從黑洞視界變成白洞視界。在這里，正是量子理論使得這一切得以實現(xiàn)，這要?dú)w功于一個眾所周知的現(xiàn)象——量子隧穿（quantum tunnelling）。這是對標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)典物理方程的短暫性違背，即使在人們不期望出現(xiàn)強(qiáng)量子現(xiàn)象的地方，也可能出現(xiàn)這種低概率的情況。例如，量子隧穿是引起核放射性的原因。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，被困在原子核內(nèi)的粒子是無法逃逸的，但量子理論允許它穿過禁錮它的勢壘，從而輻射到原子核外。
圖片來源：Sam Chivers
隧穿需要時間。放射性物質(zhì)在幾千年里保持著準(zhǔn)穩(wěn)定的狀態(tài)。同樣，黑洞的壽命也很長。根據(jù)經(jīng)典理論，黑洞將是永恒的。但沒有什么東西是永恒的。史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）證明了量子理論下黑洞會慢慢蒸發(fā)和收縮。當(dāng)黑洞收縮時，其轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥吹母怕时銜黾?。到了某個時刻，轉(zhuǎn)變便會發(fā)生。再次強(qiáng)調(diào)的是，重要的是時空本身的幾何結(jié)構(gòu)。它不是按照經(jīng)典廣義相對論的方程演化，而是突然從一個黑洞的視界隧穿到白洞的。
但有個令人費(fèi)解的地方。我們看到的黑洞有數(shù)百萬年的歷史，因此一個大黑洞需要很長時間才會隧穿到一個白洞。但落入黑洞的物質(zhì)在幾秒鐘內(nèi)便會迅速到達(dá)中心。它會以同樣快的速度再次反彈。若形成一個白洞需要很長時間，物質(zhì)怎么會發(fā)現(xiàn)自己這么快就離開了這個白洞呢?
答案引人入勝。在廣義相對論中，時間是非常靈活的。我們知道，在海平面上，時間流逝比在山上慢。（前者離地球中心更近）靠近一顆大質(zhì)量恒星或黑洞時，時間會減慢更多。這就解答了這個難題：在黑洞（或白洞）內(nèi)很短的時間對應(yīng)著洞外很長的時間。從外面看，洞的內(nèi)部演化就像一次彈跳，但速度非常緩慢。觀測宇宙看到的黑洞（白洞）可能只是一些物體坍塌并反彈回來，我們從外部以夸張的慢動作看到它們。
這種設(shè)想還有一個好處，就是它解決了著名的黑洞信息悖論——我們期望信息在自然界中永遠(yuǎn)不會完全消失，但如果時間在黑洞中終結(jié)，信息便會消失。解決方案很簡單：如果有任何東西最終反彈回來，消失的信息就會恢復(fù)。
準(zhǔn)確地說，信息悖論比這要微妙一些。它源于一種普遍的觀點(diǎn)，即視界范圍限制了黑洞內(nèi)部可能存在的不同構(gòu)型的數(shù)量。如果可供選擇的構(gòu)型過少，就會丟失掉墜入物質(zhì)的特征，信息也會丟失。
但我確信這種看法是錯誤的。它混淆了可以從外部區(qū)分的構(gòu)型的數(shù)量，這些構(gòu)型控制著黑洞的外部行為，而從內(nèi)部區(qū)分的構(gòu)型的數(shù)量則要大得多，這些構(gòu)型甚至在視界縮小時也會增加。黑洞的內(nèi)部可以很大，即使它的視界很小。這就像一個瓶子，瓶頸很小，但瓶子的容積可以很大。這樣的黑洞可以包含大量信息，這些信息后來由黑洞釋放出來。
所有這些為黑洞的生命演化提供了一個誘人的設(shè)想：在黑洞內(nèi)部沒有奇點(diǎn)，沒有時空終結(jié)的地方。從外部看，黑洞不是永恒的。相反，在某個時候，黑洞會變成白洞，掉落進(jìn)去的東西會逃逸。
看見白洞？
從理論上講，這個設(shè)想非常美好。這是否意味著宇宙中真的充滿了白洞呢？如果真是這樣，我們能看到它們嗎？
答案取決于我們尚未完全理解的東西?？捎^測宇宙中的大多數(shù)黑洞是由恒星坍塌形成的。這些黑洞都太過年輕，體積也太大，不可能已經(jīng)隧穿到白洞——大的黑洞壽命更長。但大爆炸后不久，更小的黑洞可能在早期宇宙的惡劣環(huán)境中形成。這些原初黑洞可能已經(jīng)隧穿成了白洞，或者正在變成白洞。但我們不確定它們的數(shù)量，這使得對當(dāng)前白洞的預(yù)測變得不確定。
另一個不確定因素是黑洞的壽命。人們已經(jīng)引入圈量子引力理論進(jìn)行詳細(xì)計算，但這些計算依賴于近似，并不具有結(jié)論性。盡管如此，在蒸發(fā)時間限制下的最長壽命和量子現(xiàn)象出現(xiàn)所需的最短壽命之間，我們?nèi)匀挥幸粋€相當(dāng)牢固的范圍。這使我們能得出一些初步的結(jié)論。
如果黑洞的壽命很長，那么只有小型原初黑洞已經(jīng)變成白洞。這意味著目前宇宙中的大多數(shù)白洞都很小。白洞的尺寸最小只有大約1微克，或半英寸（約1.27厘米）人類頭發(fā)的質(zhì)量。
這種可能性很是有趣，因為這種尺寸的白洞相對穩(wěn)定，它們可能是天文學(xué)家在宇宙中（間接）探測到的神秘暗物質(zhì)的成分之一。其他大多數(shù)暗物質(zhì)理論都需要修改現(xiàn)有的物理學(xué)定律，比如預(yù)測有一類新粒子——超對稱粒子。但由于這些假想粒子一直沒有被探測到，人們對這些理論產(chǎn)生了質(zhì)疑。
小型黑洞構(gòu)成暗物質(zhì)這種假說，除了已經(jīng)確立的物理學(xué)（即廣義相對論和量子理論）外，不再需要任何新的理論，目前的觀測結(jié)果也不能排除這種假說。如果這是正確的，并且我們已經(jīng)觀察到了白洞，那么它們就是暗物質(zhì)!
強(qiáng)烈的信號
又或者，黑洞的壽命很短，那么今天隧穿的原初黑洞應(yīng)該和一顆小行星質(zhì)量相當(dāng)，并且可能會劇烈爆炸，大部分質(zhì)量將以輻射的形式放出。這將釋放高能宇宙射線和微波或無線電波段強(qiáng)烈的脈沖信號。后者尤其引人入勝，因為最近我們已經(jīng)用射電望遠(yuǎn)鏡探測到了類似信號：神秘的快速射電暴。我們可能已經(jīng)觀測到了白洞。
我們不能確認(rèn)這些信號是否真的來自白洞，畢竟只有少量的探測結(jié)果，脈沖也可能有其他來源。但我們將在龐大樣本中尋找一個特征：扁平的紅移。那些由距離遙遠(yuǎn)、較為年輕的白洞發(fā)出的信號，其波長比距離較近、較老的白洞短。一旦收集到足夠多的數(shù)據(jù)，我們便能在高能宇宙射線或快速無線電脈沖中發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，也將獲得白洞存在的證據(jù)。
如果最終發(fā)現(xiàn)白洞存在的證據(jù)，這將使我們對宇宙的理解前進(jìn)一大步。這代表著人類第一次直接觀測到量子引力作用，從而為基礎(chǔ)物理學(xué)中最大的問題——理解量子時空打開了一扇窗戶。
最后，我有一個思辨的想法。我們的宇宙可能不是在大爆炸中誕生的：它可能是從之前的坍縮階段反彈出來的。這種可能性遵循圈量子引力和其他理論框架。宇宙反彈的量子機(jī)制類似于黑洞到白洞的反彈?，F(xiàn)今宇宙暗物質(zhì)中的普朗克白洞可能在反彈之前就已經(jīng)形成了。如果是這樣的話，時空在反彈時的幾何形狀就不像傳統(tǒng)宇宙學(xué)所認(rèn)為的那樣是均勻的，而是皺巴巴的，因為每個白洞都像是刺入時空幾何中的長刺。
這個事實可能與時間之箭的奧秘有關(guān)——時間為什么只朝一個方向行進(jìn)？時間之箭可能并非人們通常認(rèn)為的那樣，是由宇宙的初始狀態(tài)的“特殊性”（即低熵）導(dǎo)致的。相反，這或許是一種透視現(xiàn)象，與我們觀察者的“特殊”位置有關(guān)：我們都在黑洞和白洞之外。
盡管白洞幾乎沒被探索過，但它的存在貌似是合理的。迄今為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)任何一個白洞，但要知道，在發(fā)現(xiàn)黑洞之前，我們同樣也經(jīng)歷了很長時間的猜測。
原文鏈接：
https://www.newscientist.com/article/mg24032080-100-if-you-think-black-holes-are-strange-white-holes-will-blow-your-mind/
