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    黑洞的中心到底在發生什么?能否找到黑洞的反面“白洞”?

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    2019-11-28  大科技雜...

      千萬不要相信教科書,即使是那些偉大的科學家寫的教科書。諾貝爾物理學獎得主、美國物理學家史蒂文·溫伯格在1972年出版的巨著《引力與宇宙學》中,稱黑洞是“高度猜測性的”,他寫道“在宇宙中任何已知物體的引力場中都沒有黑洞”。

      但他完全錯了。

      幾十年來,射電天文學家們其實一直都能探測到物質落入黑洞之前發出的信號,只是他們自己沒有意識到而已。今天,我們有很多證據表明天空中布滿了黑洞。

      白洞可能正在重復著同樣的故事。白洞本質上是黑洞的反面。在另一本著名的教科書中,世界領先的相對論理論家、美國物理學家鮑勃·沃爾德寫道:“沒有理由相信宇宙中存在白洞”,而且這個觀點至今仍主宰著天文學界。但是世界各地的幾個研究小組,最近已開始研究量子力學為白洞的形成開辟一條道路的可能性。天空中可能也布滿了白洞。

      黑洞的中心到底在發生什么?

      假設存在白洞,一個顯而易見的好處是,它可以解決一個歷史遺留問題:黑洞的中心到底在發生什么?我們看到大量物質在黑洞周圍盤旋,然后掉進去;所有掉進去的物質穿過黑洞的“視界”——即連宇宙中跑得最快的光一旦越過也無法返回的界線——徑直往中心墜落,然后呢?沒有人確切地知道然后。

      我們目前對引力最好的描述是愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論預言,落入黑洞的物質最終會集中在一個密度無限大的中心點。這個點稱為奇點。奇點是對現實世界的終結:因為奇點體積為零,萬物在空間上化為烏有;時間本身也停止了。但這個預言是不可靠的,因為要描述黑洞的中心,廣義相對論已經力不能及。在這里,引力是如此強大,以至于量子效應不再能忽略。為了理解這里發生的事情,我們需要一個引力的量子理論。

      在圈量子引 力理論中,時 空本身有最 小的單位。

      量子理論在解決這類涉及“無限大”或“無限小”的問題上是有經驗的。譬如在20世紀初,經典物理學曾預言繞原子核運行的電子是不穩定的,它們的能量會無限地小下去(因為按經典物理學,運動的電荷要發射電磁波,從而損失能量),最后電子會打著轉掉進原子核里。這個預言與實際情況不符。

      量子理論則闡明了這種現象為什么沒有發生:因為原子核外的能量軌道就像田徑跑道一樣,不是連續的,而是分立,電子只能在這些分立的軌道上運動,而在同一個分立軌道上運動的電子不會發射電磁波;只有當它從一個分立軌道跳躍到另一個分立軌道(這叫“量子躍遷”),它才發射(或吸收)光子,損失(或獲得)能量;而且在這些軌道里,有一個最低能量的軌道,電子不可能降得比它還低,從而掉進原子核里面去。

      量子效應同樣可以阻止黑洞內部密度無限大的奇點的形成。在這種情況下,正如圈量子引力理論(一種發展中的量子引力理論)所預言的,是時空本身的量子化發揮了作用。在圈量子引力理論中,時空本身也是量子化的,空間和時間都有最小的單位——雖然非常小,但畢竟不是零。所以,黑洞的中心不可能無限小,密度也不會變得無限大。墜落到中心的物質被擠壓成超級致密的狀態,稱為“普朗克星”,但不會比這更致密的了。然后呢?然后,物質可以做墜落結束后通常會發生的事情:反彈。

      黑洞反彈變白洞

      反彈,不僅是物質在反彈,而且是整個時空結構在反彈。你可以想象黑洞是一只袋子,先是物質掉進袋子;反彈意味著袋子整個翻了過來,原先掉進去的東西又全部傾倒出來。

      一只向上彈起的球將沿著一條軌跡運動,看起來就像倒著放一只球下落的電影。白洞也像黑洞的電影倒著放。從外面看,它和黑洞沒什么區別:它和黑洞一樣也有質量,所以周圍的物體都被它吸引,并且繞著它旋轉。但是在黑洞的視界上,物質只能進不能出;而在白洞的視界上,物質則只能出不能進。

      其實,理論上白洞的存在也是廣義相對論所預言的。它是廣義相對論方程的精確解。但是長期以來,人們一直把它看作數學游戲,并不代表任何真實的存在,就像過去人們對待黑洞一樣,因為人們很難想象這些稀奇古怪的東西在現實中怎么能形成。

      然而,早在1930年代,愛爾蘭物理學家約翰·萊頓·辛格就發現,只要對廣義相對論方程的解做微小的調整,就可以讓黑洞變成白洞,而這種調整恰恰是量子力學所允許的。

      那么,白洞在哪里呢?它是否很遠,通過蟲洞與黑洞相連?還是說,它在不同的宇宙?不,我們不需要這類古怪的假設。其實,它就在黑洞所在的同一個地方,只是它代表黑洞的未來:在黑洞的第一階段,洞是黑的,物質落入其中;但在第二階段,黑洞的時空結構發生反彈,變成了白洞,物質從洞里涌出來。

      反彈的機制:量子隧道效應

      但是,這一切是怎么發生的呢?好端端的黑洞,劇情怎么會發生逆轉呢?這里,又是奇妙的量子效應發揮了作用。

      在量子物理學上有一個奇妙的現象,叫“量子隧道效應”。打個比方說,有一個球,給它一個能量,讓它翻過前面的一個坡。如果它的能量不夠大,那么滾到半坡就不能再向上走一步了。然后,只好滾下來。它永遠也不可能翻過坡頂。這是經典物理學為我們描述的,也是我們在現實中所看到的現象。

      但是在量子世界,奇怪的事情卻發生了:這個球的能量雖然不夠翻過坡頂,但它依然有一定的概率穿過這座坡,在坡的另一邊出現。就好像有條隧道供它投機取巧。

      這當然違反了經典物理學,但這種現象又是的的確確存在的。例如我們知道,很多原子都有天然的放射性,而這個放射性就是量子隧道效應的結果。根據經典力學,被囚禁在原子核內的粒子是無法逃逸出來的,因為強大的核力構筑了一個無形的“陷阱”,核內的粒子深陷在“陷阱”中。但量子理論卻允許粒子通過“隧道”穿透“陷阱”,從而逃到原子核外。

      黑洞變白洞,也是量子隧道效應的結果。但是有一點又是跟平常所見的量子隧道效應大不相同的:之前,發生隧道效應的都是實物粒子,但是在黑洞的劇情中,發生隧道效應的是黑洞內部的時空結構——時空本身發生量子隧道效應,整個時空像袋子一樣,里子朝外翻了。

      反彈是超級慢的動作

      但發生隧道效應是需要時間的。宏觀的物體原則上也能發生隧道效應,但概率非常非常小;換句話說,要等非常非常久,才可能看到一個宏觀的球通過隧道效應出現在坡的另一邊。

      黑洞雖然能通過隧道效應變成白洞,同樣也需要我們等很長時間,所以一般的黑洞有很長的壽命。如果按經典的黑洞理論,黑洞的存在將是永恒的。但斯蒂芬·霍金早就指出,考慮在黑洞視界附近發生的量子效應,黑洞會緩慢蒸發而縮小。當它們縮小時,通過隧道效應變成白洞的可能性就會增加。

      但是,讀到這里你可能困惑了:我們看到的黑洞,年齡動輒數百萬年,因此一個大黑洞要穿越“隧道”,反彈成白洞,需要很長的時間。這沒錯!但前面不是說,物質往黑洞中心落的時候,不會擠壓成體積為零的點,而是落到一定程度就開始反彈嗎?物質落入黑洞,到達中心,然后反彈,這可能幾秒鐘就夠了。這兩個時間怎么對不上號呢?

      答案是迷人的。在廣義相對論中,時間是非常有伸縮性的。引力越強的地方,時間流逝得越慢。比如在地球上,時間在海平面位置比在山上流逝得要慢些,因為海平面更靠近地球中心,引力更強。大質量恒星或黑洞的時間流逝得甚至更慢。這就解決了這個難題:在黑洞內非常短的時間,對應黑洞外可以非常長。

      從黑洞外部看,黑洞的物質已經在反彈,只是反彈以某種極度夸張的慢動作在進行著。就好比一個口袋,事實上翻轉已經在發生,只是從外面看來,速度非常之慢,需要非常長的時間,里子才能徹底翻出來。一旦徹底翻出來,黑洞就變成了白洞。

      這個“黑洞反彈變成白洞”的方案,不僅讓我們避免了密度無限大的奇點,另外一個好處是,它還解決了著名的黑洞信息悖論。如果黑洞內部存在奇點,時間在黑洞內結束,萬物在奇點處化為烏有,掉進黑洞的物質所攜帶的信息就丟失了。但量子力學卻告訴我們,任何信息都不會丟失。這就是所謂的“黑洞信息悖論”。而現在,如果任何掉進黑洞的東西,最終都要彈出來,信息自然就不會丟失了。

      所有這些都為黑洞一生的演化提供了一個吸引人的劇情。在黑洞內部沒有奇點,沒有時空結束的地方,從外部看黑洞不是永恒的;相反,在某個時間點,黑洞會變成白洞,任何落入其中的東西都會逃逸出來。這個劇情在理論上是很漂亮的。這是否意味著天空中真的布滿了白洞?如果是這樣,我們能看見它們嗎?

      白洞在哪里?

      對這個問題的回答是與否,取決于宇宙中我們還沒有完全理解的一些事情。我們在天空中看到的大多數黑洞都是由恒星坍塌形成的。這些黑洞都太年輕,質量太大,以至于現在還無法變成白洞——黑洞越大,壽命越長。但是,在大爆炸后不久,在早期的宇宙中形成較小的黑洞是有可能的。這些原始黑洞可能已經或正在通過隧道效應變成白洞。但是它們的數量有多少,我們卻無法確切地估計。

      另一個不確定性的來源是黑洞的壽命。經典的黑洞理論認為黑洞是永恒的。但霍金考慮了在黑洞視界附近發生的量子效應(正反粒子的產生及湮滅)之后,認為黑洞會通過霍金輻射蒸發,這就讓黑洞有了一個壽命。現在,黑洞又可以通過“量子隧道效應”變成白洞,這又給了黑洞一個壽命。這樣一來,黑洞的壽命就不確定了。

      如果黑洞的壽命很長,只有小的原始黑洞已經或正在變成白洞。這意味著目前天空中的大多數白洞都應該是最小尺寸的。最小的白洞大小是普朗克尺寸,即大約1微克,相當于一根1厘米長的頭發絲的重量。

      這是一個有趣的可能性,因為這樣大小的白洞可以相對穩定,它們可能是天文學家在天空中(間接)探測到的神秘暗物質的組成部分。當前,大多數關于暗物質的其他假設都要求修改已有的物理定律。例如,一些新理論預言存在一種被稱為“超對稱粒子”的新粒子,它們是暗物質粒子的候選者,但實驗中未能探測到這些粒子,所以這些理論是有問題的。

      但如果假設暗物質是由原初小黑洞(它們或者已經,或者正在變成白洞)組成的,這就不需要在已建立的物理學大廈上添加任何東西,而且它們也符合物理學家所要求于暗物質的那些奇怪性質。如果這是正確的,那么我們事實上已經觀察到了白洞:它們就是暗物質!

      另一種可能是,如果黑洞的壽命短,那么今天正在發生隧道效應的原始黑洞應該具有小行星的質量,并且可能會劇烈爆炸,將其大部分質量轉變為輻射。這類事件應該會發射能量極高的宇宙射線和短促而強烈的無線電波信號。后者特別令人感興趣,因為類似的信號已經被探測到:由射電望遠鏡探測到的神秘的快速無線電爆發即是。在這種可能中,同樣我們也許已經看到了白洞。

      如果找到天空中白洞存在的證據,將讓我們對宇宙的理解又邁出了一大步。它們可以代表量子引力在宇宙中發揮作用的首個直接觀測證據,并為理解物理學中的最大問題——時空量子化問題——打開了一扇窗口。

      最后,一個非常合理的猜測是,我們的宇宙可能不是在大爆炸中誕生的,而是從先前的坍縮階段反彈出來的。這種可能性是圈量子引力和其他量子引力理論所允許的。宇宙反彈的量子機制類似于黑洞變白洞的反彈。

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