寻找白洞
宇宙奥秘对时空中有些爆发的搜寻已经开始。但它们最终会成为现实,还是依然停留在科幻?宇宙中充满着怪异而极端的现象。例如,大家已经司空见惯的黑洞。黑洞会吞噬掉任何它可及的一切。不过,有“黑”就有“白”,与黑洞截然相反的是白洞。简单来说,白洞就是在时间上反演的黑洞。如果你以某种方式拍摄了一段黑洞的视频,把它倒过来播放就能看到一个白洞。与一味地俘获和吞食物质的黑洞相反,白洞会把物质喷射进太空,只出不进。


  白洞的艺术概念图。白洞是在时间上反演的黑洞,但与只会吞食物质的黑洞相反,它会把物质和辐射喷射进太空。

  岂止是怪

  白洞存在于爱因斯坦的广义相对论中。在数学上来说,白洞和黑洞都是满足广义相对论场方程的解。广义相对论的场方程描述了物质是如何作用于时空结构并使之发生扭曲的。任何有质量的物体都会对其周围的环境施加引力作用。质量越大,引力效应就越强。与绝大多数物理学规律一样,广义相对论在数学上可以向前和向后运行。如果广义相对论的方程允许物质和能量进入某个区域后便无法再离开,即黑洞,那么它也允许物质和能量只能离开某个区域而无法进入,即白洞。 这个想法在数学上没错,但并不意味着白洞是真实存在的。

  和黑洞不同,目前认为白洞是假想中的天体,不太可能存在于现实之中。眼下,天文学家没有任何证据能证明在可观测宇宙中存在白洞。白洞仍是基于自然规律的时间反演对称性而做出的理论预言。但时间反演也预言,如果我们看到一个茶杯掉落并砸碎在地上,那么原则上我们还能看到所有的碎片聚合成一个茶杯,然后再向上飞行。但是,在现实中从来没有看到后面这种情况,在某些方面白洞也与之相似。虽然时间反演过程并不违反物理学定律,但科学家们并不认为它们会在自然界中发生。当大质量恒星耗尽其核燃料时,便无法再支撑自己,于是就会坍缩成黑洞,它的中心是一个密度无穷大的“奇点”。黑洞有着强大的引力场,即便是光也无法从那里逃逸。

  与黑洞不同,白洞存在的主要障碍之一就是还没有已知的任何一个物理过程可以创造出一个白洞。天文学家已经确认了黑洞的存在,知晓了它们的形成方式,因此它们不仅满足爱因斯坦的场方程,而且还真实地存在于宇宙之中。但是,在已知的所有物理和天文过程中,没有一个能真正制造出一个白洞。

  有一些科学家猜想,可以通过奇异的过程来形成白洞。其中一个理论涉及量子隧穿,这是一种奇特的现象,允许物质在极其微小的量子尺度上具有反常的行为。这一过程有可能把黑洞变成白洞。举个例子,如果你跌落到一个山谷中且没有足够的力气爬上来,那你就会被困在那里,除非遇到好心的路人提供帮助。但在量子物理学中,事情就并非如此了。和上述的情况相反,你可以打一条隧道穿行到另一个山谷。

  科学家们的想法是,也许可以使用量子引力理论,在广义相对论的不同解之间进行隧穿。在量子力学下,你可以从一个黑洞开始,然后将其隧穿成一个白洞。然而,隧穿过程非常罕见,目前还没有人确切知道它们发生的概率有多大,很有可能罕见到永远也不会发生。白洞也有可能是宇宙中其他地方(甚至多重宇宙中另一个宇宙里),黑洞形成时的产物。在这种情况下,白洞和黑洞会在时间和空间上相互连通,其桥梁就是虫洞。物质会落入黑洞,然后穿过虫洞,再从其他地方的白洞喷出。虽然虫洞也是爱因斯坦场方程成立的一个解,但无论从哪个角度来看它都脱离不了“另类”的属性。类似于白洞,虽然虫洞在数学上是可行的,但我们还不知道有什么过程可以形成虫洞。证明虫洞存在的证据甚至比白洞的证据还要少得多。要制造一个虫洞,你需要一类我们从未见过的、非同寻常的奇异物质,所以虫洞的存在会是一个令人瞠目结舌的结果。


  白洞也有可能是黑洞形成时的产物。虫洞会在时间和空间上连接两端的白洞和黑洞。物质会先落入黑洞,然后穿过虫洞,再从白洞喷出。

  止于观测?

  尽管无法直接观测黑洞,但却可以通过探测其周围超高温物质所发出的X射线来寻找它们,或者通过观测围绕一个空白区域运动的恒星和气体的运动来探测它们。由此,科学家们可以推断出在那里潜藏着一个质量巨大且不可见的天体,它正在扰动周围的环境。借由这一方法证明在银河系中心存在一个超大质量黑洞,被称为人马A*。

  然而,白洞却以可观测而闻名。它们会突然创生,把大量的能量喷射入太空,然后又消失。2006年,科学家们观测到了一个与之类似的事件——一次发生在距离地球数十亿光年之外的突然爆发。从开始到结束整个过程只持续了102秒。然而,突然的能量爆发在宇宙中十分普遍。宇宙中最强劲的爆发事件被称为γ射线暴,它们是由恒星碰撞、超新星爆发、甚至是恒星与黑洞或者黑洞间并合所产生的极端过程。依据持续的时间长短和其他特性,γ射线暴被分成两类,它们有着不同的起源。科学家们认为2006年的爆发事件就是一次γ射线暴,将其命名为GRB 060614。然而,它的属性特殊,无法归入已知的两类爆发。更令人困惑的是,在GRB 060614所处的天区似乎没有合适它的前身天体,这一爆发就如同无中生有一般。

  2011年,有两位科学家提出,这一爆发事件也许是我们第一次观测到白洞。最近的天文观测表明,γ射线暴可能存在第3个类型,其原型就是GRB 060614,这些γ射线暴持续时间长,没有任何的超新星辐射,可以很自然地用白洞爆炸来解释。甚至有科学家认为,宇宙大爆炸本身可能就是一个白洞在喷发。绝大多数天体物理学家都不相信有白洞存在,但有少量的科学家则持不同的观点。他们认为,在宇宙初始的奇点大爆炸显然就是一个巨大的白洞,从中喷涌出了宇宙中所有或者绝大多数的物质。

  大爆炸确实与白洞十分相似,GRB 060614与白洞也相似。但这两个观点还都仅仅是猜测。大爆炸是一个白洞吗?未必。宇宙的坍缩类似于黑洞,宇宙的膨胀则类似于白洞,两者虽然形似,但并不意味着两者在物理上的对应关系。可能与白洞相关的另一个现象是快速射电暴。它们是持续时间极短的爆发,目前起源未知。然而,有迹象表明有些快速射电暴具有周期性,由此可以排除它们是白洞的可能性。


  黑洞无法被直接观测到,但却可以通过探测其周围的X射线辐射以及测量恒星和气体的运动来寻找它们。通过这一方法证明在银河系中心存在超大质量黑洞人马A*。版权:ESO。

  尽管仍是假想中的天体,但确实有设备能够探测到它们。激光干涉引力波观测台是目前最大的引力波和黑洞探测装置。引力波与宇宙中最极端和最高能的现象——黑洞、中子星和恒星死亡——相连。激光干涉引力波观测台已经探测到了不同黑洞之间的碰撞。虽然目前还没有直接的搜索计划,但它也能探测白洞。还有其他仪器设备会探测高能γ射线源,包括目前正在建造的切伦科夫望远镜阵列、正在环地球轨道上工作的费米γ射线空间望远镜和“射电天文”卫星。俄罗斯的“射电天文”卫星发射于2011年,正在观测银河系内外的射电源。“射电天文”卫星的科学家表示,该卫星具备了观测此类现象的能力。

  它观测的是星系中心附近的磁场。尽管迄今还没有证据表明其存在性,但如果那里的磁场存在宏观尺度上的磁单极性——即只有一个磁极,那它就有可能是一个虫洞。与吞噬周围气体和物质的黑洞相反,虫洞以及它所连接的白洞会向外发出辐射。

  开放的思维

  虽然白洞研究具有极高的风险性,其概念也仍处于假想状态,但对黑洞的研究曾经也经历过这样的阶段。在发现广义相对论的第一个黑洞解时,人们都无不感到惊讶,认为它在现实宇宙中绝不可能存在。甚至在很长一段时间里,教科书都把它称为一个怪异的解。现在我们知道,这些观点都是错的!今天有大量的证据表明,黑洞其实无处不在。对于白洞来说,我们可能也需要一个开放的态度。数学上并没有否定白洞的存在,所以至少可以去尝试着寻找一下它们。


  在环绕地球的轨道上,费米γ射线空间望远镜正在监视天空中出现的γ射线暴,为证实或者否定白洞的存在提供新的线索。版权:NASA。

  要么,寻找到更多的线索来进一步排除白洞存在的可能性;要么,寻找到更多证据来支持白洞在宇宙中存在的概率。
(责任编辑 张长喜)
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