投递人 itwriter 发布于 2018-12-20 09:22 原文链接 [收藏] « »

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。
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。

  来源:微信公众号“环球科学”

  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。

  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。
黑洞向白洞过渡的艺术图。

  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
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。

 
来自: 新浪科技
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标签: 黑洞 白洞

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