物理學(xué)家卡洛·羅維利（carlo rovelli）說，白洞是反向的黑洞，它們噴出物質(zhì)，可以讓我們第一次看到時空的量子來源。
如果我們能發(fā)現(xiàn)一個正在變白的黑洞，那將是我們第一次看到量子引力在起作用。
永遠(yuǎn)不要相信教科書，即便是偉大的科學(xué)家所寫的教科書。諾貝爾物理學(xué)獎得主史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)在其著名的1972年所著的“引力與宇宙學(xué)(Gravation and Cosmology)”中稱，黑洞的存在是“非常假設(shè)性”的，他寫道，“宇宙中任何已知物體的引力場中都不存在黑洞”。他錯了。幾十年來，射電天文學(xué)家一直在探測落入黑洞的物質(zhì)發(fā)出的信號，卻沒有意識到這一點。今天，我們有很多證據(jù)表明天空中充滿了黑洞。
這個故事現(xiàn)在可能在白洞中重演，白洞本質(zhì)上就是黑洞的相反面。在另一本著名的教科書中，世界領(lǐng)先的相對論理論家鮑勃·沃德(Bob Wald)寫道，“沒有理由相信宇宙的任何區(qū)域都對應(yīng)著一個白洞，這仍然是今天的主流觀點?！钡?，世界各地的幾個研究小組，最近開始調(diào)查量子力學(xué)是否有可能為這些白洞的形成打開一條通道。宇宙中可能也布滿了白洞。
之所以懷疑存在白洞，是因為它們可以解開一個未解之謎：黑洞中心到底發(fā)生了什么。我們看到大量的物質(zhì)繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，然后落入其中。所有這些下降的物質(zhì)穿過洞的表面，向中心直線下降，然后呢？沒人知道發(fā)生了什么。
愛因斯坦的廣義相對論，我們目前對引力的最好描述，預(yù)測下落中的物質(zhì)最終集中在一個被稱為奇點的無限密度的中心點上。這是對現(xiàn)實的一種終結(jié)，時間本身停止，一切都消失為虛無的點。但是這個預(yù)言是不可靠的，因為這個洞的中心不在愛因斯坦偉大理論的范圍之內(nèi)。在這里，引力是如此之強(qiáng)，以至于量子效應(yīng)再也不能被忽略了。為了理解會發(fā)生什么，我們需要一個量子引力理論。
量子理論習(xí)慣于解決這類問題。在20世紀(jì)初，經(jīng)典理論預(yù)言，圍繞原子核運行的電子的能量將無限地螺旋式下降。量子理論解釋了為什么這種情況不會發(fā)生：它是被能量的離散性所禁止的。電子的能量只能隨一定數(shù)量的變化而變化，并且它有一個有限的底部能級。
量子效應(yīng)同樣可以防止在黑洞中心形成無限密度。在這種情況下，正是時空本身的離散性，由量子引力理論（如環(huán)量子引力）所預(yù)測，才起到了作用。在密度可以變成無限大的地方，沒有無限小的點?？臻g是由單個單元或量子組成的，它們雖小，但卻是有限的。落下的物質(zhì)可以擠進(jìn)一種叫做普朗克星的超密狀態(tài)。然后，物質(zhì)就可以做一些通常在跌落結(jié)束時所做的事情：反彈。
它不能在黑洞中反彈，那里的東西只能向下移動。但這就是神奇之處：量子引力允許黑洞的整個時空幾何結(jié)構(gòu)反彈，也就是說，繼續(xù)穿過黑洞的中心點，進(jìn)入一個單獨的、新的時空區(qū)域，在這個區(qū)域，不僅物質(zhì)，而且整個時空都在反彈。這就是我們所說的白洞。
白洞就像是一部向后投射的黑洞的電影。從外部看，它并沒有太大的不同：它的質(zhì)量就像一個黑洞，所以物體會被它吸引，并能繞它運行。但是，黑洞被一個可以進(jìn)入但不能離開的事件視界所包圍，而白洞則被一個可以離開但不能進(jìn)入的事件視界所包圍。
由內(nèi)而外。
廣義相對論預(yù)測了白洞的理論可能性。它們是理論方程的精確解。但長期以來，它們一直被認(rèn)為是可能性極小的細(xì)節(jié)，不能代表任何真實的東西，就像過去的黑洞一樣，因為很難看出它們是如何起源的。
然而，早在20世紀(jì)30年代，愛爾蘭物理學(xué)家約翰·萊頓·辛格(John Lighton Synge)就發(fā)現(xiàn)，只要對廣義相對論方程的解進(jìn)行最小的調(diào)整，就有可能將黑洞內(nèi)部的幾何形狀延續(xù)到白洞中。量子力學(xué)可以允許這樣的調(diào)整。
白洞的子體在哪里？它會在遙遠(yuǎn)的地方，被蟲洞連接起來，還是在不同的宇宙中？不，我們不需要奇怪的猜測。它將會被發(fā)現(xiàn)在黑洞所在的地方。正如愛因斯坦的理論所理解的那樣，由于時空的特殊彈性，“中心的另一邊”可以簡單地存在于洞的未來中。這很難想象，但結(jié)果很簡單：在其生命的第一部分，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，它是白色的，物質(zhì)彈出。
要做到這一點，應(yīng)該有一段時間，事件視界從黑洞的事件視界轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥吹氖录暯?。在這里，正是量子理論使這種現(xiàn)象得以發(fā)生，這要歸功于一種眾所周知的現(xiàn)象--量子隧穿。這是對標(biāo)準(zhǔn)的、經(jīng)典的物理方程的短暫違反，即使在人們不會預(yù)料到強(qiáng)烈的量子現(xiàn)象的情況下，這種方程式可能以低概率發(fā)生。例如，隧穿效應(yīng)就是引起核輻射的原因。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，被困在原子核內(nèi)的粒子將無法逃逸，但量子理論允許在囚禁它的勢壁下面“隧穿”，從而輻射到原子核之外。
隧穿需要時間。放射性物質(zhì)在幾千年內(nèi)保持準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。同樣，黑洞也有很長的壽命。如果我們相信經(jīng)典理論，黑洞將是永恒的。但沒有什么是永恒的。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的研究表明，量子理論意味著黑洞會慢慢蒸發(fā)和收縮。當(dāng)它們收縮時，通過隧穿進(jìn)入白洞的可能性就增加了。在某種程度上，它發(fā)生了。而且，重要的是時空本身的幾何學(xué)-這就是隧穿效應(yīng)。它不是按照經(jīng)典的廣義相對論方程式演化，而是突然從黑洞視界隧穿到白洞視界。
這幅畫有一個令人費解的方面。我們看到的黑洞有著數(shù)百萬年的歷史，因此一個大黑洞需要很長的時間才能通過隧穿進(jìn)入白洞。但是落入洞中的物質(zhì)在幾秒鐘內(nèi)迅速到達(dá)中心。它也會同樣迅速地反彈出來。那么當(dāng)形成一個白洞需要很長的時間時，物質(zhì)怎么會發(fā)現(xiàn)自己這么快就離開白洞呢？
答案很迷人。在廣義相對論中，時間是極其靈活的。我們知道，時間在海平面上（或更靠近地球中心的地方）的比在山上要慢。接近一顆大質(zhì)量恒星或黑洞時，它的速度會變得更慢。這就解決了難題：洞內(nèi)很短的時間可以和外部很長的時間相匹配。從外面看，洞的內(nèi)部演化看起來像是反彈，但運動速度非常慢。我們在天空中看到的洞可能僅僅是我們從外部以夸張的慢動作看到的坍塌和反彈的物體。
這個場景的一個好處是，它解決了著名的黑洞信息悖論--我們期望信息永遠(yuǎn)不會在自然界中完全消失，但如果時間在黑洞中結(jié)束，它就會丟失。解決方案很簡單：如果有任何東西最終彈出，信息就會被恢復(fù)。
確切地說，信息悖論比這要微妙一些。它產(chǎn)生于一種普遍的信念，即事件視界的面積限制了洞內(nèi)任何可能的不同位形的數(shù)量。如果可用的位形太少，則墜入物質(zhì)的顯著特征將丟失，信息也將丟失。
但我確信這一信念是錯誤的。它混淆了與外部可區(qū)別的位形數(shù)量（這些位形控制著洞的外部行為）和內(nèi)部可區(qū)別的位形的數(shù)量（即使在視界縮小時，內(nèi)部位形也會增加）。黑洞的內(nèi)部可以是很大的，即使它的視界很小，就像一個瓶子可以很大，即使它的脖子很小但可以包含大量的信息，隨后由白洞釋放出來。
所有這些都為黑洞的完整生命演化提供了一個吸引人的場景。在黑洞的內(nèi)部沒有奇點，也沒有時空結(jié)束的地方，從表面上看，黑洞并不是永恒的。相反，黑洞在某個時候會變白，落在里面的任何東西都終會逃脫。
從理論上講，這個場景是美麗的。這是否意味著宇宙中真的布滿了白洞？如果是的話，我們能看到嗎？
答案取決于我們還沒有完全理解的事情。我們在天空中看到的大多數(shù)黑洞都是由于一顆恒星的坍塌而形成的。這些洞太年輕、太大，已經(jīng)無法進(jìn)入白洞。但是，在宇宙大爆炸后不久，較小的黑洞可能是在早期宇宙的激烈環(huán)境中形成的。這些原始黑洞可能已經(jīng)隧穿成白洞，或者今天可能正在隧穿。但是我們不能確定它們的數(shù)量，這使得對當(dāng)前白洞的預(yù)測變得不確定。
另一個不確定的來源是黑洞的壽命。已經(jīng)嘗試使用環(huán)形量子引力進(jìn)行詳細(xì)的計算，但它們依賴于近似值并且尚未定論。然而，我們在霍金蒸發(fā)時間限制下的最大“長”壽命和量子現(xiàn)象開始所需的最小“短”壽命之間有一個相當(dāng)牢固的界限。這使我們能夠得出一些初步結(jié)論。
如果其壽命很長，只有小的原始黑洞已經(jīng)變成白色。這意味著目前天空中的大多數(shù)白洞應(yīng)該是最小尺寸的。最小的白洞也就一微克左右。
這是一種有趣的可能性，因為這種大小的白洞可能相對穩(wěn)定，而且它們可能是天文學(xué)家間接在天空中探測到的神秘暗物質(zhì)的一個組成部分。關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)的大多數(shù)其他假設(shè)都需要修改公認(rèn)的物理定律。例如，它們依賴于預(yù)測稱為超對稱粒子的新實體的理論。但是，對這些粒子的探測失敗引起了人們對這些理論的質(zhì)疑。
暗物質(zhì)由小黑洞組成的可能性并不需要建立更多的物理知識，也不能被任何觀測所排除。如果這是正確的，我們已經(jīng)觀察到了白洞：它們是暗物質(zhì)！
或者，如果黑洞的壽命很短，那么今天隧穿的原始黑洞應(yīng)該具有小行星的質(zhì)量，并且可能會劇烈爆炸，從而將其大部分質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射的輻射。這一事件將向我們發(fā)送極具能量的宇宙射線和微波或無線電波段的短而猛烈的信號。后者特別耐人尋味，因為類似的信號已經(jīng)被檢測到：最近用射電望遠(yuǎn)鏡觀測到的神秘的快速射電爆發(fā)。再說一次，我們可能已經(jīng)看到了白洞。
我們不能確認(rèn)這些信號確實來自于只有少量探測的白洞，其他來源也是可能的。但是，我們將在一個大樣本中尋找一個特征：平滑的紅移。因此，遙遠(yuǎn)而年輕的白洞發(fā)出的信號應(yīng)該比附近的老白洞產(chǎn)生的波長更短。一旦我們有了足夠的數(shù)據(jù)，我們也許就能在高能宇宙射線或快速射電爆發(fā)中發(fā)現(xiàn)這一點。如果我們這樣做，我們將會有一些證據(jù)證明白洞的存在。
在宇宙中找到白洞的證據(jù)，將是我們對宇宙的理解向前邁出的一大步。它們可以代表對量子引力的第一次直接觀測，從而為基礎(chǔ)物理學(xué)中最大的問題--理解時空的量子方面的問題--打開一扇窗。
最后要提到一個非常具有推測性的想法。我們的宇宙可能不是在大爆炸中誕生的：它可能是從先前的崩塌階段反彈出來的。這種可能性被環(huán)量子引力和其他理論框架所允許。宇宙反彈的量子機(jī)制類似于黑白洞反彈。
這一事實可能與時間之箭的奧秘（為什么時間只朝一個方向前進(jìn)的問題）有關(guān)。時間之箭可能不是由宇宙的初始狀態(tài)（即低熵狀態(tài)）引起的。相反，這可能是一種與我們觀察者非常“特殊”的位置有關(guān)的透視現(xiàn)象：我們在所有的洞之外。
盡管白洞幾乎完全沒有被發(fā)掘出來，但似乎是合理的。我們還沒有識別出任何一個白洞，但我們之前也在很長一段時間內(nèi)沒有識別出黑洞。
