如果黑洞变白

神秘的无线电信号

2012年11月2日，一道强烈的无线电波从波多黎各的加勒比岛上空划过。没有人可以直接用肉眼看见这个壮观的“焰火”，但是它被这里的阿雷西博天文台305米宽的射电望远镜捕捉到了。

射电天文学家一直在等待着这种信号：一个快速射电爆发。这种只持续千分之几秒的极为明亮的射电脉冲，是宇宙中极为罕见的现象，迄今为止，世界上所有的天文台监视到这样的事件总共也只有11次。

这些奇怪的脉冲究竟是什么仍是一个谜。一些人认为它们来自致密星体或是黑洞在与恒星“跳舞”时产生的。一些人甚至提出一个大胆的想法，声称它们可能是外星人发过来的信号。

最近又有人提出了新的解释，认为这种信号是黑洞以一种全新的方式产生的。如果真的是这样的话，那么这将会改变我们对宇宙的理解，还能把两种水火不容的物理理论结合起来。它甚至是我们能解释一切的开始。

黑洞内的奇点

没有什么比我们在试图理解黑洞时更有困惑感了。黑洞是一种时空区域，它们的引力如此强烈，以至于没有什么可以从黑洞中逃离出来。不管是什么，一个光子或是一位英勇无畏的宇航员，掉进黑洞就再也出不来。

这个结论是广义相对论告诉我们的。根据广义相对论，所有物质最终会挤在黑洞的中心，在那里会形成一个奇点：一个密度无限大的点。而这种无限大的性质使得目前所有的物理定律失效，因此，没人会知道奇点那里发生了什么。

当前的物理学中，描述引力的理论是广义相对论，描述极为微小的空间下的理论是量子力学。为了搞清楚黑洞的奇点究竟是怎么一回事，我们需要知道在极为微小的空间中引力是如何发生作用的。也就是说，我们需要一个把广义相对论与量子力学结合起来的理论，即找到一种量子引力理论。但可惜的是，把这两个理论结合起来的难度很高，我们不知道这样的理论究竟该是什么样子的。

物理学家急需一个指引，使得他们找到通往量子引力理论的正确道路。而现在，一些科学家觉得这个快速射电爆发可能就是大家所等待的一个指引。

黑洞变白洞

新的想法来自于美国巴德学院的哈尔·哈格德和法国艾克斯－马赛大学卡尔罗·罗威利一起做的研究。哈格德是圈量子引力论（一种量子引力候选理论）的奠基人之一，圈量子引力论认为时空是由无数个细小的纤维圈构成的一种“织品”。从远处看，这个“织品”好像是连续光滑的，但从近距离看，这个“织品”是由微小的不可分割的纤维圈构成的。这种纤维圈就是时空本身的量子——时空最小的结构。

他们把圈量子引力论应用到黑洞那里，得到了一个惊人的结论：黑洞中心物质密度达到一定值时就变得不可压缩。也就是说，黑洞内部并不存在奇点。相反，继续挤压会使得时空的纤维圈产生一个向外的压力，发生“量子反弹”——一场会破坏整个黑洞的爆炸。

这并不是物理学家们第一次提出把黑洞变没的把戏。例如，霍金就曾经提出一种基于热力学定律的机制，这会使得一个黑洞发生蒸发，直至最终消失，尽管这要花费极为漫长的时间。不过，哈格德和罗威利提出的这个新理论是很不寻常的，其中关键的一点是，黑洞发生量子反弹后，就变成了一个白洞。白洞与黑洞正好相反，是一个只出不进的时空区域，它“吐出”的粒子永远无法再被它吸收。

广义相对论认为，白洞在理论上是可以存在的，但黑洞却不可能演变成一个白洞。哈格德和罗威利认为，黑洞演变成一个白洞，应该是一种称为隧道效应的量子现象的结果，因此广义相对论无法推导出来。隧道效应可以允许粒子跨越不可能的障碍从一种状态转变为另一种状态。在核聚变中，就有隧道效应发生，例如在我们的太阳中，隧道效应可以使得质子克服一个不可逾越的能量势垒来参与聚变。

在量子引力中，隧道效应也能发挥作用。哈格德和罗威利的想法是，所有的物质不管怎么坍缩，都无法形成一个奇点，在整个物质接近一个单独时空纤维圈时，整个黑洞通过量子隧道效应变为白洞的概率越来越大，直到“嘣！”黑洞突然变为了一个白洞。

黑洞爆炸的信号

黑洞能变为白洞，这个想法可能有点过于戏剧性。要想说服怀疑者最好的办法就是真的能检测到黑洞的这种爆炸。2014年，罗威利与几个同事一起搞清楚了黑洞发生这种爆炸时会产生什么信号。

他们发现，黑洞爆炸产生的信号波长正好等于它的直径。这样的话，大黑洞产生长的波长，小黑洞产生短的波长。宇宙早期可能因物质涨落形成很小的黑洞，这些黑洞甚至小到肉眼无法辨别的尺寸。这种黑洞被称为太初黑洞，而太初黑洞爆炸产生的信号波长最短可以只有几毫米。换句话说，这种信号正好处在红外线和无线电波之间。

这个发现使得罗威利等人联想到阿雷西博天文台检测到的神秘信号。他们认为，这些罕见的快速射电爆发可能就是太初黑洞爆炸产生的信号。他们在2014年向世界公布了他们的研究结果。他们预测出的黑洞爆炸信号是与观测到的快速射电爆发最吻合的一个。

更进一步的预测

另外，他们的理论还做出了一个预测，可以在未来对其进行检验。这个预测与黑洞的量子反弹花多长时间有关。

罗威利等人的理论表明，黑洞的质量越大，黑洞就需要经历更长的时间才能发生量子反弹。也就是说质量越大，黑洞寿命越长。反之，质量越小，黑洞寿命越短。

太初黑洞通常很小，是孤立在太空中的天体，它们的大小在诞生后就固定了下来。如果他们的理论是正确的，那么更小的黑洞会更早地发生爆炸，而且产生的快速射电爆发的波长会更短。

如果我们在地球上观测到遥远的太初黑洞的爆炸信号，那么这意味着这个黑洞很早就爆炸了，寿命比较短。寿命短，就意味着质量小，产生的信号波长会更短。换句话说，更远的太初黑洞爆炸信号的波长应该比附近的更短。如果快速射电爆发也符合这种规律，那么这将极大地支持罗威利等人的理论。

目前，所有检测到的快速射电爆发都是来自比较近的位置，所以波长是否随着距离发生变化还不能被检测出来。另外，目前总共只检测到了11次快速射电爆发，这在统计学上几乎没有什么分析价值。所以，现在还需等待。随着时间的推移，研究人员希望能发现更多快速射电爆发，并建立一个适当的数据库。

宇宙大反弹？

广义相对论预测的另一个出现奇点的地方，就是宇宙大爆炸的那一时刻。但是，如果时空的纤维圈会阻止黑洞内部形成奇点，那么我们的宇宙是怎么来的？也许，并不是源自一场大爆炸，而是一场大反弹。

大反弹假说已经存在一段时间了，说的是我们的宇宙并不是从无之中爆炸出来的，而是先前的宇宙发生坍缩了，其中的所有物质在引力的作用下坍缩到一起，然后发生了一个巨大的量子反弹，使得一切都分散开来，于是我们的宇宙诞生了。

然而，并不是所有科学家都支持“量子反弹”假说，一些研究人员认为，快速射电爆发很可能是由年轻的快速旋转的中子星产生的，而且相关的理论很符合观测结果。如果真的是这样的，那么我们寻找量子引力理论又陷入了迷雾之中。但是，也许那些神秘的信号是一个遥远的外星文明发来的，也许他们能告诉我们量子引力理论是何种样子。

本文源自大科技*科学之谜2016年第5期文章