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白洞是反向的黑洞

物理学家卡洛·罗维利(carlo rovelli)说,白洞是反向的黑洞,它们喷出物质,可以让我们第一次看到时空的量子来源。

如果我们能发现一个正在变白的黑洞,那将是我们第一次看到量子引力在起作用。

永远不要相信教科书,即便是伟大的科学家所写的教科书。诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)在其著名的1972年所著的“引力与宇宙学(Gravation and Cosmology)”中称,黑洞的存在是“非常假设性”的,他写道,“宇宙中任何已知物体的引力场中都不存在黑洞”。他错了。几十年来,射电天文学家一直在探测落入黑洞的物质发出的信号,却没有意识到这一点。今天,我们有很多证据表明天空中充满了黑洞。

这个故事现在可能在白洞中重演,白洞本质上就是黑洞的相反面。在另一本著名的教科书中,世界领先的相对论理论家鲍勃·沃德(Bob Wald)写道,“没有理由相信宇宙的任何区域都对应着一个白洞,这仍然是今天的主流观点。”但是,世界各地的几个研究小组,最近开始调查量子力学是否有可能为这些白洞的形成打开一条通道。宇宙中可能也布满了白洞。

之所以怀疑存在白洞,是因为它们可以解开一个未解之谜:黑洞中心到底发生了什么。我们看到大量的物质绕着黑洞旋转,然后落入其中。所有这些下降的物质穿过洞的表面,向中心直线下降,然后呢?没人知道发生了什么。

爱因斯坦的广义相对论,我们目前对引力的最好描述,预测下落中的物质最终集中在一个被称为奇点的无限密度的中心点上。这是对现实的一种终结,时间本身停止,一切都消失为虚无的点。但是这个预言是不可靠的,因为这个洞的中心不在爱因斯坦伟大理论的范围之内。在这里,引力是如此之强,以至于量子效应再也不能被忽略了。为了理解会发生什么,我们需要一个量子引力理论。

量子理论习惯于解决这类问题。在20世纪初,经典理论预言,围绕原子核运行的电子的能量将无限地螺旋式下降。量子理论解释了为什么这种情况不会发生:它是被能量的离散性所禁止的。电子的能量只能随一定数量的变化而变化,并且它有一个有限的底部能级。

量子效应同样可以防止在黑洞中心形成无限密度。在这种情况下,正是时空本身的离散性,由量子引力理论(如环量子引力)所预测,才起到了作用。在密度可以变成无限大的地方,没有无限小的点。空间是由单个单元或量子组成的,它们虽小,但却是有限的。落下的物质可以挤进一种叫做普朗克星的超密状态。然后,物质就可以做一些通常在跌落结束时所做的事情:反弹。

它不能在黑洞中反弹,那里的东西只能向下移动。但这就是神奇之处:量子引力允许黑洞的整个时空几何结构反弹,也就是说,继续穿过黑洞的中心点,进入一个单独的、新的时空区域,在这个区域,不仅物质,而且整个时空都在反弹。这就是我们所说的白洞。

白洞就像是一部向后投射的黑洞的电影。从外部看,它并没有太大的不同:它的质量就像一个黑洞,所以物体会被它吸引,并能绕它运行。但是,黑洞被一个可以进入但不能离开的事件视界所包围,而白洞则被一个可以离开但不能进入的事件视界所包围。

由内而外。

广义相对论预测了白洞的理论可能性。它们是理论方程的精确解。但长期以来,它们一直被认为是可能性极小的细节,不能代表任何真实的东西,就像过去的黑洞一样,因为很难看出它们是如何起源的。

然而,早在20世纪30年代,爱尔兰物理学家约翰·莱顿·辛格(John Lighton Synge)就发现,只要对广义相对论方程的解进行最小的调整,就有可能将黑洞内部的几何形状延续到白洞中。量子力学可以允许这样的调整。

白洞的子体在哪里?它会在遥远的地方,被虫洞连接起来,还是在不同的宇宙中?不,我们不需要奇怪的猜测。它将会被发现在黑洞所在的地方。正如爱因斯坦的理论所理解的那样,由于时空的特殊弹性,“中心的另一边”可以简单地存在于洞的未来中。这很难想象,但结果很简单:在其生命的第一部分,黑洞是黑色的,物质落入其中;但在第二阶段,在量子跃迁之后,它是白色的,物质弹出。

要做到这一点,应该有一段时间,事件视界从黑洞的事件视界转变为白洞的事件视界。在这里,正是量子理论使这种现象得以发生,这要归功于一种众所周知的现象--量子隧穿。这是对标准的、经典的物理方程的短暂违反,即使在人们不会预料到强烈的量子现象的情况下,这种方程式可能以低概率发生。例如,隧穿效应就是引起核辐射的原因。根据经典力学,被困在原子核内的粒子将无法逃逸,但量子理论允许在囚禁它的势壁下面“隧穿”,从而辐射到原子核之外。

隧穿需要时间。放射性物质在几千年内保持准稳定状态。同样,黑洞也有很长的寿命。如果我们相信经典理论,黑洞将是永恒的。但没有什么是永恒的。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的研究表明,量子理论意味着黑洞会慢慢蒸发和收缩。当它们收缩时,通过隧穿进入白洞的可能性就增加了。在某种程度上,它发生了。而且,重要的是时空本身的几何学-这就是隧穿效应。它不是按照经典的广义相对论方程式演化,而是突然从黑洞视界隧穿到白洞视界。

这幅画有一个令人费解的方面。我们看到的黑洞有着数百万年的历史,因此一个大黑洞需要很长的时间才能通过隧穿进入白洞。但是落入洞中的物质在几秒钟内迅速到达中心。它也会同样迅速地反弹出来。那么当形成一个白洞需要很长的时间时,物质怎么会发现自己这么快就离开白洞呢?

答案很迷人。在广义相对论中,时间是极其灵活的。我们知道,时间在海平面上(或更靠近地球中心的地方)的比在山上要慢。接近一颗大质量恒星或黑洞时,它的速度会变得更慢。这就解决了难题:洞内很短的时间可以和外部很长的时间相匹配。从外面看,洞的内部演化看起来像是反弹,但运动速度非常慢。我们在天空中看到的洞可能仅仅是我们从外部以夸张的慢动作看到的坍塌和反弹的物体。

这个场景的一个好处是,它解决了著名的黑洞信息悖论--我们期望信息永远不会在自然界中完全消失,但如果时间在黑洞中结束,它就会丢失。解决方案很简单:如果有任何东西最终弹出,信息就会被恢复。

确切地说,信息悖论比这要微妙一些。它产生于一种普遍的信念,即事件视界的面积限制了洞内任何可能的不同位形的数量。如果可用的位形太少,则坠入物质的显著特征将丢失,信息也将丢失。

但我确信这一信念是错误的。它混淆了与外部可区别的位形数量(这些位形控制着洞的外部行为)和内部可区别的位形的数量(即使在视界缩小时,内部位形也会增加)。黑洞的内部可以是很大的,即使它的视界很小,就像一个瓶子可以很大,即使它的脖子很小但可以包含大量的信息,随后由白洞释放出来。

所有这些都为黑洞的完整生命演化提供了一个吸引人的场景。在黑洞的内部没有奇点,也没有时空结束的地方,从表面上看,黑洞并不是永恒的。相反,黑洞在某个时候会变白,落在里面的任何东西都终会逃脱。

从理论上讲,这个场景是美丽的。这是否意味着宇宙中真的布满了白洞?如果是的话,我们能看到吗?

答案取决于我们还没有完全理解的事情。我们在天空中看到的大多数黑洞都是由于一颗恒星的坍塌而形成的。这些洞太年轻、太大,已经无法进入白洞。但是,在宇宙大爆炸后不久,较小的黑洞可能是在早期宇宙的激烈环境中形成的。这些原始黑洞可能已经隧穿成白洞,或者今天可能正在隧穿。但是我们不能确定它们的数量,这使得对当前白洞的预测变得不确定。

另一个不确定的来源是黑洞的寿命。已经尝试使用环形量子引力进行详细的计算,但它们依赖于近似值并且尚未定论。然而,我们在霍金蒸发时间限制下的最大“长”寿命和量子现象开始所需的最小“短”寿命之间有一个相当牢固的界限。这使我们能够得出一些初步结论。

如果其寿命很长,只有小的原始黑洞已经变成白色。这意味着目前天空中的大多数白洞应该是最小尺寸的。最小的白洞也就一微克左右。

这是一种有趣的可能性,因为这种大小的白洞可能相对稳定,而且它们可能是天文学家间接在天空中探测到的神秘暗物质的一个组成部分。关于暗物质性质的大多数其他假设都需要修改公认的物理定律。例如,它们依赖于预测称为超对称粒子的新实体的理论。但是,对这些粒子的探测失败引起了人们对这些理论的质疑。

暗物质由小黑洞组成的可能性并不需要建立更多的物理知识,也不能被任何观测所排除。如果这是正确的,我们已经观察到了白洞:它们是暗物质!

或者,如果黑洞的寿命很短,那么今天隧穿的原始黑洞应该具有小行星的质量,并且可能会剧烈爆炸,从而将其大部分质量转变为发射的辐射。这一事件将向我们发送极具能量的宇宙射线和微波或无线电波段的短而猛烈的信号。后者特别耐人寻味,因为类似的信号已经被检测到:最近用射电望远镜观测到的神秘的快速射电爆发。再说一次,我们可能已经看到了白洞。

我们不能确认这些信号确实来自于只有少量探测的白洞,其他来源也是可能的。但是,我们将在一个大样本中寻找一个特征:平滑的红移。因此,遥远而年轻的白洞发出的信号应该比附近的老白洞产生的波长更短。一旦我们有了足够的数据,我们也许就能在高能宇宙射线或快速射电爆发中发现这一点。如果我们这样做,我们将会有一些证据证明白洞的存在。

在宇宙中找到白洞的证据,将是我们对宇宙的理解向前迈出的一大步。它们可以代表对量子引力的第一次直接观测,从而为基础物理学中最大的问题--理解时空的量子方面的问题--打开一扇窗。

最后要提到一个非常具有推测性的想法。我们的宇宙可能不是在大爆炸中诞生的:它可能是从先前的崩塌阶段反弹出来的。这种可能性被环量子引力和其他理论框架所允许。宇宙反弹的量子机制类似于黑白洞反弹。

这一事实可能与时间之箭的奥秘(为什么时间只朝一个方向前进的问题)有关。时间之箭可能不是由宇宙的初始状态(即低熵状态)引起的。相反,这可能是一种与我们观察者非常“特殊”的位置有关的透视现象:我们在所有的洞之外。

尽管白洞几乎完全没有被发掘出来,但似乎是合理的。我们还没有识别出任何一个白洞,但我们之前也在很长一段时间内没有识别出黑洞。

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