每个黑洞的结局都是时空反转、万物无法进入的白洞？

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倘若我们能观测一个正在变成白洞的黑洞，那将是我们首次窥见量子引力作用。图片来源：ESA/V。 Beckmann （NASA-GSFC）

　　来源：环球科学ScientificAmerican

　　黑洞，一个吞噬一切、让物质有进无回的“巨兽”，已经为众人所熟知。那么在宇宙中，与黑洞性质完全相反、物质只能流出而无法进入的天体是否存在？一些天文学家认为，这样的“白洞”不仅存在，它们还是黑洞的未来——黑洞中的时空将在某个时刻反弹，转变为白洞。如果这个假说能得到证实，这不仅是人类首次直接观测到量子引力作用，还可能为宇宙终极问题找出答案。

　　撰文 | Carlo Rovelli（艾克斯-马赛大学理论物理学家）

　　翻译 | 甘立

　　审校 | 吴非

　　永远不要迷信教科书，即使那些书是伟大科学家写的。1972年，诺贝尔物理学家奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）在其著作《引力与宇宙学》（Gravitation and Cosmology）中称，黑洞的存在具有“很强的假想性”。他写道，“宇宙中任何已知物体的引力场中都不存在（黑洞）”。然而，他完全错了。几十年前，射电天文学家就探测到了物质坠入黑洞时发出的信号，却没有意识到这一点。目前，我们有很多证据表明宇宙中充满了黑洞。

　　现在，这个故事或许在白洞中重演。白洞实际是逆向的黑洞，性质与黑洞完全相反。在另一本著名的教科书中，相对论巨匠鲍勃·沃尔德（Bob Wald）写道，“没有理由相信宇宙的任何区域与某个白洞相对应”——这仍是目前的主流观点。但世界各地的几个研究小组，包括我在法国马赛的团队，最近已经开始研究量子力学助力白洞形成的可能性。仰望星空，宇宙中可能也遍布着白洞。

　　时空反弹

　　之所以怀疑白洞可能存在，是因为它能揭示一个未解之谜：黑洞中心发生了什么。我们观测到大量物质盘旋在黑洞边缘，之后坠入黑洞。所有这些坠入的物质穿过黑洞的表面（我们称之为“事件视界”，标志着无法返回的临界点），垂直落向黑洞中心。之后发生了什么呢？我们对此一无所知。

　　现代物理学描述引力的最佳理论——爱因斯坦的广义相对论预言，黑洞中下落的物质最终会集中在一个密度趋近于无限的中心点上，我们称之为“奇点”。这对应着现实的终结。在这一点上，时间自身将会停止，一切都消失在虚无之中。但这个预测并不可靠，因为爱因斯坦这一理论的适用范围并不包括黑洞的中心。在这里，引力变得异常强大，量子效应不可被忽视。要理解究竟发生了什么，我们需要引入量子引力理论。

　　量子理论常用来解决这类问题。在20世纪初，经典物理理论预言绕原子核运动的电子的能量会呈螺旋式无尽下降。然而，现实世界里并没有出现这种情况。量子理论解释了原因：能量的离散性阻止了这一过程。电子的能量只能以特定的量变化，并且它有一个有限的最低能级。

　　同理，量子效应也可以阻止在黑洞中心处的无限大密度，这是由时空本身的离散性所决定的。这种离散性被量子引力理论所预测，比如我研究的圈量子引力理论（loop quantum gravity， LQG）。在该理论中，不存在密度趋近于无穷大的无限小点。空间由独立的单元（量子）组成，这些单位虽然小但是尺寸有限。坠入黑洞的物质可以被挤压成超致密状态，称为“普朗克星”。但之后呢？之后，它们会像普通物质下落结束时那样：反弹。

　　但它无法在黑洞中反弹：黑洞内的物质只能向下运动，这就是神奇所在：量子引力让整个黑洞中的几何时空反弹。也就是说，物质继续穿过黑洞的中心点进入一个全新、独立的时空区域。在那里，不仅是物质，整个时空都在反弹——这就是我们所说的白洞。

黑洞向白洞过渡的艺术图。图片来源：F。 Vidotto/University of the Basque Country

　　小球弹起时的轨迹看起来，就像球下落的场景在倒放。同理，白洞就像记录黑洞的电影胶片在倒放。从外部看，白洞和黑洞没什么不同：它和黑洞质量相同，所以物体会被它吸引，并围绕其转动。但是，黑洞被视界包围，通过视界的物质能够进入但不能逃逸；而白洞被另一种视界包围，可以通过视界逃逸，但不能进入。

　　由内向外

　　广义相对论从理论上预言了白洞存在的可能性。白洞是广义相对论方程的精确解。但长期以来，白洞一直被视为数学产物，而不代表任何真实的东西。就像过去的黑洞一样，因为很难看到它是如何产生的。

　　然而，早在20世纪30年代，爱尔兰物理学家John Lighton Synge就发现，广义相对论方程的解只要稍作调整，就有可能使黑洞内部的几何形状继续演化成白洞。量子力学允许这样的调整。

　　那么，白洞在哪里呢？它会距人们很遥远吗？它由虫洞连接，还是在另一个宇宙呢？不，我们不需要这些稀奇古怪的猜测。在未来，白洞会在黑洞所在的地方出现。根据爱因斯坦理论阐述的时空的特殊弹性，“中心的另一边”很可能就在黑洞的未来。这很难想象，但结果却很简单：在生命的最初阶段，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，它会变成“白色”，物质会被反弹出去。

　　要做到这一点，就必须存在这样一个时刻：视界从黑洞视界变成白洞视界。在这里，正是量子理论使得这一切得以实现，这要归功于一个众所周知的现象——量子隧穿（quantum tunnelling）。这是对标准经典物理方程的短暂性违背，即使在人们不期望出现强量子现象的地方，也可能出现这种低概率的情况。例如，量子隧穿是引起核放射性的原因。根据经典力学，被困在原子核内的粒子是无法逃逸的，但量子理论允许它穿过禁锢它的势垒，从而辐射到原子核外。

图片来源：Sam Chivers

　　隧穿需要时间。放射性物质在几千年里保持着准稳定的状态。同样，黑洞的寿命也很长。根据经典理论，黑洞将是永恒的。但没有什么东西是永恒的。史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）证明了量子理论下黑洞会慢慢蒸发和收缩。当黑洞收缩时，其转变为白洞的概率便会增加。到了某个时刻，转变便会发生。再次强调的是，重要的是时空本身的几何结构。它不是按照经典广义相对论的方程演化，而是突然从一个黑洞的视界隧穿到白洞的。

　　但有个令人费解的地方。我们看到的黑洞有数百万年的历史，因此一个大黑洞需要很长时间才会隧穿到一个白洞。但落入黑洞的物质在几秒钟内便会迅速到达中心。它会以同样快的速度再次反弹。若形成一个白洞需要很长时间，物质怎么会发现自己这么快就离开了这个白洞呢？

　　答案引人入胜。在广义相对论中，时间是非常灵活的。我们知道，在海平面上，时间流逝比在山上慢。（前者离地球中心更近）靠近一颗大质量恒星或黑洞时，时间会减慢更多。这就解答了这个难题：在黑洞（或白洞）内很短的时间对应着洞外很长的时间。从外面看，洞的内部演化就像一次弹跳，但速度非常缓慢。观测宇宙看到的黑洞（白洞）可能只是一些物体坍塌并反弹回来，我们从外部以夸张的慢动作看到它们。

　　这种设想还有一个好处，就是它解决了著名的黑洞信息悖论——我们期望信息在自然界中永远不会完全消失，但如果时间在黑洞中终结，信息便会消失。解决方案很简单：如果有任何东西最终反弹回来，消失的信息就会恢复。

　　准确地说，信息悖论比这要微妙一些。它源于一种普遍的观点，即视界范围限制了黑洞内部可能存在的不同构型的数量。如果可供选择的构型过少，就会丢失掉坠入物质的特征，信息也会丢失。

　　但我确信这种看法是错误的。它混淆了可以从外部区分的构型的数量，这些构型控制着黑洞的外部行为，而从内部区分的构型的数量则要大得多，这些构型甚至在视界缩小时也会增加。黑洞的内部可以很大，即使它的视界很小。这就像一个瓶子，瓶颈很小，但瓶子的容积可以很大。这样的黑洞可以包含大量信息，这些信息后来由黑洞释放出来。

　　所有这些为黑洞的生命演化提供了一个诱人的设想：在黑洞内部没有奇点，没有时空终结的地方。从外部看，黑洞不是永恒的。相反，在某个时候，黑洞会变成白洞，掉落进去的东西会逃逸。

　　看见白洞？

　　从理论上讲，这个设想非常美好。这是否意味着宇宙中真的充满了白洞呢？如果真是这样，我们能看到它们吗？

　　答案取决于我们尚未完全理解的东西。可观测宇宙中的大多数黑洞是由恒星坍塌形成的。这些黑洞都太过年轻，体积也太大，不可能已经隧穿到白洞——大的黑洞寿命更长。但大爆炸后不久，更小的黑洞可能在早期宇宙的恶劣环境中形成。这些原初黑洞可能已经隧穿成了白洞，或者正在变成白洞。但我们不确定它们的数量，这使得对当前白洞的预测变得不确定。

　　另一个不确定因素是黑洞的寿命。人们已经引入圈量子引力理论进行详细计算，但这些计算依赖于近似，并不具有结论性。尽管如此，在蒸发时间限制下的最长寿命和量子现象出现所需的最短寿命之间，我们仍然有一个相当牢固的范围。这使我们能得出一些初步的结论。

　　如果黑洞的寿命很长，那么只有小型原初黑洞已经变成白洞。这意味着目前宇宙中的大多数白洞都很小。白洞的尺寸最小只有大约1微克，或半英寸（约1.27厘米）人类头发的质量。

　　这种可能性很是有趣，因为这种尺寸的白洞相对稳定，它们可能是天文学家在宇宙中（间接）探测到的神秘暗物质的成分之一。其他大多数暗物质理论都需要修改现有的物理学定律，比如预测有一类新粒子——超对称粒子。但由于这些假想粒子一直没有被探测到，人们对这些理论产生了质疑。

　　小型黑洞构成暗物质这种假说，除了已经确立的物理学（即广义相对论和量子理论）外，不再需要任何新的理论，目前的观测结果也不能排除这种假说。如果这是正确的，并且我们已经观察到了白洞，那么它们就是暗物质！

　　强烈的信号

　　又或者，黑洞的寿命很短，那么今天隧穿的原初黑洞应该和一颗小行星质量相当，并且可能会剧烈爆炸，大部分质量将以辐射的形式放出。这将释放高能宇宙射线和微波或无线电波段强烈的脉冲信号。后者尤其引人入胜，因为最近我们已经用射电望远镜探测到了类似信号：神秘的快速射电暴。我们可能已经观测到了白洞。

　　我们不能确认这些信号是否真的来自白洞，毕竟只有少量的探测结果，脉冲也可能有其他来源。但我们将在庞大样本中寻找一个特征：扁平的红移。那些由距离遥远、较为年轻的白洞发出的信号，其波长比距离较近、较老的白洞短。一旦收集到足够多的数据，我们便能在高能宇宙射线或快速无线电脉冲中发现这种现象，也将获得白洞存在的证据。

　　如果最终发现白洞存在的证据，这将使我们对宇宙的理解前进一大步。这代表着人类第一次直接观测到量子引力作用，从而为基础物理学中最大的问题——理解量子时空打开了一扇窗户。

　　最后，我有一个思辨的想法。我们的宇宙可能不是在大爆炸中诞生的：它可能是从之前的坍缩阶段反弹出来的。这种可能性遵循圈量子引力和其他理论框架。宇宙反弹的量子机制类似于黑洞到白洞的反弹。现今宇宙暗物质中的普朗克白洞可能在反弹之前就已经形成了。如果是这样的话，时空在反弹时的几何形状就不像传统宇宙学所认为的那样是均匀的，而是皱巴巴的，因为每个白洞都像是刺入时空几何中的长刺。

　　这个事实可能与时间之箭的奥秘有关——时间为什么只朝一个方向行进？时间之箭可能并非人们通常认为的那样，是由宇宙的初始状态的“特殊性”（即低熵）导致的。相反，这或许是一种透视现象，与我们观察者的“特殊”位置有关：我们都在黑洞和白洞之外。

　　尽管白洞几乎没被探索过，但它的存在貌似是合理的。迄今为止，我们还没有发现任何一个白洞，但要知道，在发现黑洞之前，我们同样也经历了很长时间的猜测。