每個黑洞的結局都是時空反轉、萬物無法進入的白洞?
2018年12月16日09:57
倘若我們能觀測一個正在變成白洞的黑洞,那將是我們首次窺見量子引力作用。圖片來源:ESA/V。 Beckmann (NASA-GSFC)
倘若我們能觀測一個正在變成白洞的黑洞,那將是我們首次窺見量子引力作用。圖片來源:ESA/V。 Beckmann (NASA-GSFC)

  來源:環球科學ScientificAmerican

  黑洞,一個吞噬一切、讓物質有進無回的“巨獸”,已經為眾人所熟知。那麼在宇宙中,與黑洞性質完全相反、物質只能流出而無法進入的天體是否存在?一些天文學家認為,這樣的“白洞”不僅存在,它們還是黑洞的未來——黑洞中的時空將在某個時刻反彈,轉變為白洞。如果這個假說能得到證實,這不僅是人類首次直接觀測到量子引力作用,還可能為宇宙終極問題找出答案。

  撰文 | Carlo Rovelli(艾克斯-馬賽大學理論物理學家)

  翻譯 | 甘立

  審校 | 吳非

  永遠不要迷信教科書,即使那些書是偉大科學家寫的。1972年,諾貝爾物理學家獎得主史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)在其著作《引力與宇宙學》(Gravitation and Cosmology)中稱,黑洞的存在具有“很強的假想性”。他寫道,“宇宙中任何已知物體的引力場中都不存在(黑洞)”。然而,他完全錯了。幾十年前,射電天文學家就探測到了物質墜入黑洞時發出的信號,卻沒有意識到這一點。目前,我們有很多證據表明宇宙中充滿了黑洞。

  現在,這個故事或許在白洞中重演。白洞實際是逆向的黑洞,性質與黑洞完全相反。在另一本著名的教科書中,相對論巨匠鮑勃·沃爾德(Bob Wald)寫道,“沒有理由相信宇宙的任何區域與某個白洞相對應”——這仍是目前的主流觀點。但世界各地的幾個研究小組,包括我在法國馬賽的團隊,最近已經開始研究量子力學助力白洞形成的可能性。仰望星空,宇宙中可能也遍佈著白洞。

  時空反彈

  之所以懷疑白洞可能存在,是因為它能揭示一個未解之謎:黑洞中心發生了什麼。我們觀測到大量物質盤旋在黑洞邊緣,之後墜入黑洞。所有這些墜入的物質穿過黑洞的表面(我們稱之為“事件視界”,標誌著無法返回的臨界點),垂直落向黑洞中心。之後發生了什麼呢?我們對此一無所知。

  現代物理學描述引力的最佳理論——愛因斯坦的廣義相對論預言,黑洞中下落的物質最終會集中在一個密度趨近於無限的中心點上,我們稱之為“奇點”。這對應著現實的終結。在這一點上,時間自身將會停止,一切都消失在虛無之中。但這個預測並不可靠,因為愛因斯坦這一理論的適用範圍並不包括黑洞的中心。在這裏,引力變得異常強大,量子效應不可被忽視。要理解究竟發生了什麼,我們需要引入量子引力理論。

  量子理論常用來解決這類問題。在20世紀初,經典物理理論預言繞原子核運動的電子的能量會呈螺旋式無盡下降。然而,現實世界里並沒有出現這種情況。量子理論解釋了原因:能量的離散性阻止了這一過程。電子的能量只能以特定的量變化,並且它有一個有限的最低能級。

  同理,量子效應也可以阻止在黑洞中心處的無限大密度,這是由時空本身的離散性所決定的。這種離散性被量子引力理論所預測,比如我研究的圈量子引力理論(loop quantum gravity, LQG)。在該理論中,不存在密度趨近於無窮大的無限小點。空間由獨立的單元(量子)組成,這些單位雖然小但是尺寸有限。墜入黑洞的物質可以被擠壓成超緻密狀態,稱為“普朗剋星”。但之後呢?之後,它們會像普通物質下落結束時那樣:反彈。

  但它無法在黑洞中反彈:黑洞內的物質只能向下運動,這就是神奇所在:量子引力讓整個黑洞中的幾何時空反彈。也就是說,物質繼續穿過黑洞的中心點進入一個全新、獨立的時空區域。在那裡,不僅是物質,整個時空都在反彈——這就是我們所說的白洞。

黑洞向白洞過渡的藝術圖。圖片來源:F。 Vidotto/University of the Basque Country
黑洞向白洞過渡的藝術圖。圖片來源:F。 Vidotto/University of the Basque Country

  小球彈起時的軌跡看起來,就像球下落的場景在倒放。同理,白洞就像記錄黑洞的電影膠片在倒放。從外部看,白洞和黑洞沒什麼不同:它和黑洞質量相同,所以物體會被它吸引,並圍繞其轉動。但是,黑洞被視界包圍,通過視界的物質能夠進入但不能逃逸;而白洞被另一種視界包圍,可以通過視界逃逸,但不能進入。

  由內向外

  廣義相對論從理論上預言了白洞存在的可能性。白洞是廣義相對論方程的精確解。但長期以來,白洞一直被視為數學產物,而不代表任何真實的東西。就像過去的黑洞一樣,因為很難看到它是如何產生的。

  然而,早在20世紀30年代,愛爾蘭物理學家John Lighton Synge就發現,廣義相對論方程的解只要稍作調整,就有可能使黑洞內部的幾何形狀繼續演化成白洞。量子力學允許這樣的調整。

  那麼,白洞在哪裡呢?它會距人們很遙遠嗎?它由蟲洞連接,還是在另一個宇宙呢?不,我們不需要這些稀奇古怪的猜測。在未來,白洞會在黑洞所在的地方出現。根據愛因斯坦理論闡述的時空的特殊彈性,“中心的另一邊”很可能就在黑洞的未來。這很難想像,但結果卻很簡單:在生命的最初階段,黑洞是“黑色的”,物質落入其中;但在第二階段,在量子躍遷之後,它會變成“白色”,物質會被反彈出去。

  要做到這一點,就必須存在這樣一個時刻:視界從黑洞視界變成白洞視界。在這裏,正是量子理論使得這一切得以實現,這要歸功於一個眾所周知的現象——量子隧穿(quantum tunnelling)。這是對標準經典物理方程的短暫性違背,即使在人們不期望出現強量子現象的地方,也可能出現這種低概率的情況。例如,量子隧穿是引起核放射性的原因。根據經典力學,被困在原子核內的粒子是無法逃逸的,但量子理論允許它穿過禁錮它的勢壘,從而輻射到原子核外。

圖片來源:Sam Chivers
圖片來源:Sam Chivers

  隧穿需要時間。放射性物質在幾千年里保持著準穩定的狀態。同樣,黑洞的壽命也很長。根據經典理論,黑洞將是永恒的。但沒有什麼東西是永恒的。史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)證明了量子理論下黑洞會慢慢蒸發和收縮。當黑洞收縮時,其轉變為白洞的概率便會增加。到了某個時刻,轉變便會發生。再次強調的是,重要的是時空本身的幾何結構。它不是按照經典廣義相對論的方程演化,而是突然從一個黑洞的視界隧穿到白洞的。

  但有個令人費解的地方。我們看到的黑洞有數百萬年的歷史,因此一個大黑洞需要很長時間才會隧穿到一個白洞。但落入黑洞的物質在幾秒鍾內便會迅速到達中心。它會以同樣快的速度再次反彈。若形成一個白洞需要很長時間,物質怎麼會發現自己這麼快就離開了這個白洞呢?

  答案引人入勝。在廣義相對論中,時間是非常靈活的。我們知道,在海平面上,時間流逝比在山上慢。(前者離地球中心更近)靠近一顆大質量恒星或黑洞時,時間會減慢更多。這就解答了這個難題:在黑洞(或白洞)內很短的時間對應著洞外很長的時間。從外面看,洞的內部演化就像一次彈跳,但速度非常緩慢。觀測宇宙看到的黑洞(白洞)可能只是一些物體坍塌並反彈回來,我們從外部以誇張的慢動作看到它們。

  這種設想還有一個好處,就是它解決了著名的黑洞信息悖論——我們期望信息在自然界中永遠不會完全消失,但如果時間在黑洞中終結,信息便會消失。解決方案很簡單:如果有任何東西最終反彈回來,消失的信息就會恢復。

  準確地說,信息悖論比這要微妙一些。它源於一種普遍的觀點,即視界範圍限製了黑洞內部可能存在的不同構型的數量。如果可供選擇的構型過少,就會丟失掉墜入物質的特徵,信息也會丟失。

  但我確信這種看法是錯誤的。它混淆了可以從外部區分的構型的數量,這些構型控製著黑洞的外部行為,而從內部區分的構型的數量則要大得多,這些構型甚至在視界縮小時也會增加。黑洞的內部可以很大,即使它的視界很小。這就像一個瓶子,瓶頸很小,但瓶子的容積可以很大。這樣的黑洞可以包含大量信息,這些信息後來由黑洞釋放出來。

  所有這些為黑洞的生命演化提供了一個誘人的設想:在黑洞內部沒有奇點,沒有時空終結的地方。從外部看,黑洞不是永恒的。相反,在某個時候,黑洞會變成白洞,掉落進去的東西會逃逸。

  看見白洞?

  從理論上講,這個設想非常美好。這是否意味著宇宙中真的充滿了白洞呢?如果真是這樣,我們能看到它們嗎?

  答案取決於我們尚未完全理解的東西。可觀測宇宙中的大多數黑洞是由恒星坍塌形成的。這些黑洞都太過年輕,體積也太大,不可能已經隧穿到白洞——大的黑洞壽命更長。但大爆炸後不久,更小的黑洞可能在早期宇宙的惡劣環境中形成。這些原初黑洞可能已經隧穿成了白洞,或者正在變成白洞。但我們不確定它們的數量,這使得對當前白洞的預測變得不確定。

  另一個不確定因素是黑洞的壽命。人們已經引入圈量子引力理論進行詳細計算,但這些計算依賴於近似,並不具有結論性。儘管如此,在蒸發時間限製下的最長壽命和量子現象出現所需的最短壽命之間,我們仍然有一個相當牢固的範圍。這使我們能得出一些初步的結論。

  如果黑洞的壽命很長,那麼只有小型原初黑洞已經變成白洞。這意味著目前宇宙中的大多數白洞都很小。白洞的尺寸最小隻有大約1微克,或半英吋(約1.27釐米)人類頭髮的質量。

  這種可能性很是有趣,因為這種尺寸的白洞相對穩定,它們可能是天文學家在宇宙中(間接)探測到的神秘暗物質的成分之一。其他大多數暗物質理論都需要修改現有的物理學定律,比如預測有一類新粒子——超對稱粒子。但由於這些假想粒子一直沒有被探測到,人們對這些理論產生了質疑。

  小型黑洞構成暗物質這種假說,除了已經確立的物理學(即廣義相對論和量子理論)外,不再需要任何新的理論,目前的觀測結果也不能排除這種假說。如果這是正確的,並且我們已經觀察到了白洞,那麼它們就是暗物質!

  強烈的信號

  又或者,黑洞的壽命很短,那麼今天隧穿的原初黑洞應該和一顆小行星質量相當,並且可能會劇烈爆炸,大部分質量將以輻射的形式放出。這將釋放高能宇宙射線和微波或無線電波段強烈的脈衝信號。後者尤其引人入勝,因為最近我們已經用射電望遠鏡探測到了類似信號:神秘的快速射電暴。我們可能已經觀測到了白洞。

  我們不能確認這些信號是否真的來自白洞,畢竟只有少量的探測結果,脈衝也可能有其他來源。但我們將在龐大樣本中尋找一個特徵:扁平的紅移。那些由距離遙遠、較為年輕的白洞發出的信號,其波長比距離較近、較老的白洞短。一旦收集到足夠多的數據,我們便能在高能宇宙射線或快速無線電脈衝中發現這種現象,也將獲得白洞存在的證據。

  如果最終發現白洞存在的證據,這將使我們對宇宙的理解前進一大步。這代表著人類第一次直接觀測到量子引力作用,從而為基礎物理學中最大的問題——理解量子時空打開了一扇窗戶。

  最後,我有一個思辨的想法。我們的宇宙可能不是在大爆炸中誕生的:它可能是從之前的坍縮階段反彈出來的。這種可能性遵循圈量子引力和其他理論框架。宇宙反彈的量子機製類似於黑洞到白洞的反彈。現今宇宙暗物質中的普朗克白洞可能在反彈之前就已經形成了。如果是這樣的話,時空在反彈時的幾何形狀就不像傳統宇宙學所認為的那樣是均勻的,而是皺巴巴的,因為每個白洞都像是刺入時空幾何中的長刺。

  這個事實可能與時間之箭的奧秘有關——時間為什麼只朝一個方向行進?時間之箭可能並非人們通常認為的那樣,是由宇宙的初始狀態的“特殊性”(即低熵)導致的。相反,這或許是一種透視現象,與我們觀察者的“特殊”位置有關:我們都在黑洞和白洞之外。

  儘管白洞幾乎沒被探索過,但它的存在貌似是合理的。迄今為止,我們還沒有發現任何一個白洞,但要知道,在發現黑洞之前,我們同樣也經曆了很長時間的猜測。

  原文鏈接:

  https://www.newscientist.com/article/mg24032080-100-if-you-think-black-holes-are-strange-white-holes-will-blow-your-mind/

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