○ 黑洞向白洞過(guò)渡的藝術(shù)想象圖。圈量子引力理論通過(guò)將時(shí)空量子化，來(lái)擴(kuò)展廣義相對(duì)論，它預(yù)言黑洞會(huì)演化成白洞。| 圖片來(lái)源：F. Vidotto/University of the Basque Country
黑洞，是人們所熟悉的非凡天體?？茖W(xué)已經(jīng)觀測(cè)到了大量證明黑洞存在的證據(jù)，例如我們看到了：
恒星質(zhì)量的黑洞與伴星共舞；
星系中央的超大質(zhì)量黑洞會(huì)吞噬周圍的物質(zhì)；
雙黑洞之間的合并產(chǎn)生的引力波。
所有這些都可以被愛因斯坦在一百多年前提出的廣義相對(duì)論完美解釋。
盡管我們已經(jīng)掌握了很多有關(guān)黑洞的信息，它仍然高度神秘。通過(guò)天文觀測(cè)，我們看見物質(zhì)落入黑洞，卻全然不知這些物質(zhì)到達(dá)黑洞中心時(shí)會(huì)發(fā)生什么。
圈量子引力的證明
物理學(xué)家Abhay Ashtekar、Javier Olmedo和Parampreet Singh，已經(jīng)朝著回答這個(gè)問題邁出了一步。他們已經(jīng)證明，圈量子引力（是為引力提供量子力學(xué)描述的候選理論）預(yù)測(cè)，時(shí)空將連續(xù)地穿過(guò)黑洞的中心，進(jìn)入一個(gè)新的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域存在于未來(lái)，并且具有白洞內(nèi)部的幾何。（白洞是黑洞的時(shí)間倒轉(zhuǎn)鏡像，在白洞中，物質(zhì)只能向外移動(dòng)。）
顯然，穿過(guò)中心進(jìn)入未來(lái)區(qū)域的通道這一概念有些違反直覺。然而，這確實(shí)是可能的，因?yàn)?strong>廣義相對(duì)論允許洞內(nèi)部的時(shí)空幾何強(qiáng)烈扭曲。這一結(jié)果支持了眾多研究小組正在研究的一個(gè)假設(shè)：所有黑洞的未來(lái)都可能轉(zhuǎn)變成一個(gè)真正的白洞，曾經(jīng)落入黑洞的物質(zhì)可以從白洞中反彈回來(lái)。
然而，現(xiàn)有的理論還不能完全證明這種反彈是如何發(fā)生的。圈量子引力能夠做到這一點(diǎn)。這表明圈量子引力理論已經(jīng)成熟到足以應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)情況。
我們之所以對(duì)黑洞物理的某些方面一無(wú)所知，是因?yàn)樵诤诙吹闹行囊约拔磥?lái)，量子現(xiàn)象占據(jù)主導(dǎo)地位。經(jīng)典的廣義相對(duì)論預(yù)言，黑洞永遠(yuǎn)存在，它的中心是一個(gè)“奇點(diǎn)”，時(shí)空在此終結(jié)。這些預(yù)測(cè)與現(xiàn)實(shí)并不相符，因?yàn)樗鼈兒雎粤肆孔有?yīng)。為了解決這些問題，我們需要一個(gè)量子引力理論。
我們還沒有就這樣一種理論達(dá)成共識(shí)，但有一些候選理論，其中一些理論已經(jīng)比較成熟，允許對(duì)黑洞的量子行為進(jìn)行實(shí)際計(jì)算。圈量子引力就是這樣一種理論，它有著清晰的概念結(jié)構(gòu)，以及定義明確的數(shù)學(xué)公式，該公式基于將空間結(jié)構(gòu)表示為隨時(shí)間演化的自旋網(wǎng)絡(luò)。
黑洞轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥?nbsp;
在過(guò)去的幾年里，一些研究小組已經(jīng)應(yīng)用圈理論來(lái)探索黑洞的演化。這些努力正在基于從黑洞轉(zhuǎn)變成白洞的場(chǎng)景來(lái)構(gòu)建一幅引人注目的圖景，這一圖景可以總結(jié)如下。
在黑洞中心，空間和時(shí)間并不在奇點(diǎn)處結(jié)束，而是繼續(xù)通過(guò)一個(gè)短暫的過(guò)渡區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域中，量子效應(yīng)將違背愛因斯坦方程。從這個(gè)區(qū)域開始，空間和時(shí)間以白洞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，這是物理學(xué)家John Lighton Synge在20世紀(jì)30年代提出的一種可能性。隨著黑洞中心的演化，它的外表面，也就是“視界”，由于輻射而慢慢縮小——這是由霍金首次描述的現(xiàn)象。
這種收縮持續(xù)進(jìn)行，直到視界達(dá)到普朗克大小（量子引力的特征尺度），或者在早些時(shí)候，在黑洞視界發(fā)生量子隧穿，把黑洞的視界變成白洞的視界。由于相對(duì)論幾何特殊的扭曲效果，從中心誕生的白洞內(nèi)部與白洞的視界結(jié)合，形成完整的白洞。
○ 描述黑洞通過(guò)量子躍遷轉(zhuǎn)變成白洞的時(shí)空演化圖?？v軸表示時(shí)間，橫軸表示到中心的距離。| 圖片來(lái)源：C. Rovelli/Aix-Marseille University; adapted by APS/Alan Stonebraker
粗略地說(shuō)，整個(gè)現(xiàn)象類似于一個(gè)球的反彈。一個(gè)球落在地上，彈起，然后向上移動(dòng)。反彈后的向上運(yùn)動(dòng)是下落過(guò)程的時(shí)間反轉(zhuǎn)。
類似地，黑洞會(huì)“反彈”，并以時(shí)間反轉(zhuǎn)的形式出現(xiàn)，這就是一個(gè)白洞。坍塌的物質(zhì)不會(huì)在中心消失，而是會(huì)通過(guò)白洞反彈出來(lái)。落入黑洞的能量和信息從白洞中出現(xiàn)。壓縮程度最大的結(jié)構(gòu)被稱為“普朗克星”，它將黑洞與白洞分開。
由于相對(duì)論所允許的巨大的時(shí)間扭曲，從黑洞內(nèi)部測(cè)量時(shí)，這一過(guò)程發(fā)生的時(shí)間可以很短（微秒），但從黑洞外部測(cè)量時(shí)，這一過(guò)程發(fā)生的時(shí)間可以很長(zhǎng)（數(shù)十億年）。
這是一幅令人信服的圖景，因?yàn)樗?strong>消除了黑洞中心的奇異性，解決了落入黑洞的能量和信息表面上消失的悖論。到目前為止，這幅從黑洞轉(zhuǎn)變到白洞的圖景并非來(lái)自于實(shí)際的量子引力理論；它只是一種推測(cè)，并通過(guò)對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論方程的必要修正得以實(shí)現(xiàn)。
Ashtekar、Olmedo和Singh已經(jīng)證明，這個(gè)場(chǎng)景的一個(gè)關(guān)鍵組成部分——在黑洞中心的轉(zhuǎn)變，確實(shí)遵循一個(gè)真正的量子引力理論，也就是圈量子引力理論。這一結(jié)果是通過(guò)對(duì)完全的圈量子引力方程的近似得到的，類似于之前解決大爆炸奇點(diǎn)的工作中使用的方程。
值得注意的是，Ashtekar-Olmedo-Singh模型只解決了洞中心的過(guò)渡問題。為了完成這幅圖像，我們還需要計(jì)算視界處的隧穿。在這個(gè)方向已經(jīng)采取了初步步驟，但這仍然是一個(gè)開放問題。它的解決將導(dǎo)致對(duì)黑洞量子物理的全面理解。
來(lái)自觀測(cè)的證據(jù)
經(jīng)驗(yàn)主義的觀察結(jié)果或許會(huì)支持這種圖景，這并非不可能。模型表明，一些觀測(cè)到的天體物理現(xiàn)象可能與黑洞到白洞的轉(zhuǎn)變有關(guān)，其中包括快速射電暴（FRBs）和某些高能宇宙射線。兩者都可以由被困在早期宇宙產(chǎn)生的黑洞中的、在黑洞到白洞的轉(zhuǎn)變過(guò)程中釋放出來(lái)的物質(zhì)和光子產(chǎn)生。然而，目前的天體物理數(shù)據(jù)還不足以確定，觀測(cè)到的FRBs和宇宙射線的統(tǒng)計(jì)特性是否證實(shí)這一假設(shè)。
另一個(gè)有趣的可能性是，由黑洞到白洞的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的小洞可能是穩(wěn)定的，在這種情況下，這些“殘余”可能是暗物質(zhì)的組成成分。
我們才剛剛開始理解黑洞的量子物理，但在這個(gè)仍處于推測(cè)階段的領(lǐng)域，Ashtekar-Olmedo-Singh的結(jié)果給了我們一個(gè)固定點(diǎn)：圈引力理論預(yù)測(cè)，黑洞的內(nèi)部將繼續(xù)進(jìn)入白洞。
這一領(lǐng)域任何進(jìn)展的重要性都超出了只是對(duì)黑洞的理解。黑洞的中心是我們目前的時(shí)空理論（正如愛因斯坦的廣義相對(duì)論所給出那樣）失效的地方。理解黑洞中心的物理，也意味著理解量子空間和量子時(shí)間。
聯(lián)系客服
