黑洞的结局有可能都是时空反转、万物无法进入的白洞

文章作者:管理一号 | 2019-01-07
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倘若我们能观测一个正在变成白洞黑洞,那将是我们首次窥见量子引力作用。

黑洞,一个吞噬全部、让物质有进无回的“巨兽”,现已为世人所熟知。那么在宇宙中,与黑洞性质彻底相反、物质只能流出而无法进入的天体是否存在?一些天文学家以为,这样的“白洞”不只存在,它们仍是黑洞的未来——黑洞中的时空将在某个时刻反弹,转变为白洞。假如这个假说能得到证明,这不只是人类初次直接观测到量子引力效果,还或许为国际终极问题找出答案。

永久不要迷信教科书,即便那些书是巨大科学家写的。1972年,诺贝尔物理学家奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)在其作品《引力与宇宙学》(Gravitation and Cosmology)中称,黑洞的存在具有“很强的设想性”。他写道,“宇宙中任何已知物体的引力场中都不存在(黑洞)”。可是,他彻底错了。几十年前,射电天文学家就勘探到了物质坠入黑洞时宣布的信号,却没有意识到这一点。现在,咱们有许多依据标明宇宙中充满了黑洞。
      现在,这个故事或许在白洞中重演。白洞实践是逆向的黑洞,性质与黑洞彻底相反。在另一本闻名的教科书中,相对论大师鲍勃·沃尔德(Bob Wald)写道,“没有理由信任宇宙的任何区域与某个白洞相对应”——这仍是现在的干流观念。但国际各地的几个研讨小组,包含我在法国马赛的团队,最近现已开端研讨量子力学助力白洞构成的或许性。仰视星空,宇宙中或许也遍及着白洞。
       时空反弹
      之所以置疑白洞或许存在,是由于它能提醒一个未解之谜:黑洞中心发生了什么。咱们观测到很多物质回旋扭转在黑洞边际,之后坠入黑洞。所有这些坠入的物质穿过黑洞的外表(咱们称之为“事情视界”,标志着无法回来的临界点),垂直落向黑洞中心。之后发生了什么呢?咱们对此一窍不通。
      现代物理学描绘引力的最佳理论——爱因斯坦的广义相对论预言,黑洞中下落的物质终究会会集在一个密度趋近于无限的中心点上,咱们称之为“奇点”。这对应着实际的完结。在这一点上,时刻自身将会中止,全部都消失在虚无之中。但这个猜测并不牢靠,由于爱因斯坦这一理论的适用范围并不包含黑洞的中心。在这里,引力变得反常强壮,量子效应不行被忽视。要了解终究发生了什么,咱们需求引进量子引力理论。
      量子理论常用来处理这类问题。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。可是,实际宇宙里并没有呈现这种状况。量子理论解说了原因:能量的离散性阻挠了这一进程。电子的能量只能以特定的量改变,而且它有一个有限的最低能级。
      同理,量子效应也能够阻挠在黑洞中心处的无限大密度,这是由时空自身的离散性所决议的。这种离散性被量子引力理论所猜测,比方我研讨的圈量子引力理论(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,这些单位尽管小可是尺度有限。坠入黑洞的物质能够被揉捏成超细密状况,称为“普朗克星”。但之后呢?之后,它们会像一般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,这就是奇特地点:量子引力让整个黑洞中的几许时空反弹。也就是说,物质持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,不只是物质,整个时空都在反弹——这就是咱们所说的白洞。

 

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。

小球弹起时的轨道看起来,就像球下落的场景在倒放。同理,白洞就像记载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,所以物体会被它招引,并环绕其滚动。可是,黑洞被视界围住,经过视界的物质能够进入但不能逃逸;而白洞被另一种视界围住,能够经过视界逃逸,但不能进入。

 

图片来源:Sam Chivers

隧穿需求时刻。放射性物质在几千年里保持着准安稳的状况。相同,黑洞的寿数也很长。依据经典理论,黑洞将是永久的。但没有什么东西是永久的。史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)证明了量子理论下黑洞会渐渐蒸腾和缩短。当黑洞缩短时,其改变为白洞的概率便会添加。到了某个时刻,改变便会发作。再次着重的是,重要的是时空自身的几许结构。它不是依照经典广义相对论的方程演化,而是俄然从一个黑洞的视界隧穿到白洞的。

但有个令人费解的当地。咱们看到的黑洞稀有百万年的前史,因而一个大黑洞需求很长时刻才会隧穿到一个白洞。但落入黑洞的物质在几秒钟内便会敏捷抵达中心。它会以相同快的速度再次反弹。若构成一个白洞需求很长时刻,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,时刻是十分灵敏的。咱们知道,在海平面上,时刻消逝比在山上慢。(前者离地球中心更近)接近一颗大质量恒星或黑洞时,时刻会减慢更多。这就回答了这个难题:在黑洞(或白洞)内很短的时刻对应着洞外很长的时刻。从外面看,洞的内部演化就像一次弹跳,但速度十分缓慢。观测世界看到的黑洞(白洞)或许仅仅一些物体崩塌并反弹回来,咱们从外部以夸大的慢动作看到它们。
      这种想象还有一个优点,就是它处理了闻名的黑洞信息悖论——咱们希望信息在自然界中永久不会彻底消失,但假如时刻在黑洞中完结,信息便会消失。处理方案很简单:假如有任何东西终究反弹回来,消失的信息就会康复。
      精确地说,信息悖论比这要奇妙一些。它源于一种遍及的观念,即视界规模约束了黑洞内部或许存在的不同构型的数量。假如可供挑选的构型过少,就会丢掉掉坠入物质的特征,信息也会丢掉。
      但我坚信这种观点是过错的。它混杂了能够从外部区别的构型的数量,这些构型操控着黑洞的外部行为,而从内部区别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添加。黑洞的内部能够很大,即便它的视界很小。这就像一个瓶子,瓶颈很小,但瓶子的容积能够很大。这样的黑洞能够包括很多信息,这些信息后因由黑洞开释出来。
      所有这些为黑洞的生命演化供给了一个诱人的想象:在黑洞内部没有奇点,没有时空完结的当地。从外部看,黑洞不是永久的。相反,在某个时分,黑洞会变成白洞,坠落进去的东西会逃逸。
       看见白洞?
      从理论上讲,这个想象十分夸姣。这是否意味着宇宙中真的充满了白洞呢?假如真是这样,咱们能看到它们吗?
      答案取决于咱们没有彻底了解的东西。可观测宇宙中的大多数黑洞是由恒星崩塌构成的。这些黑洞都过分年青,体积也太大,不或许现已隧穿到白洞——大的黑洞寿数更长。但大爆破后不久,更小的黑洞或许在前期宇宙的恶劣环境中构成。这些原初黑洞或许现已隧穿成了白洞,或许正在变成白洞。但咱们不确定它们的数量,这使得对当时白洞的猜想变得不确定。
      另一个不确定要素是黑洞的寿数。人们现已引进圈量子引力理论进行具体核算,但这些核算依赖于近似,并不具有定论性。虽然如此,在蒸腾时刻约束下的最长寿数和量子现象呈现所需的最短寿数之间,咱们依然有一个适当结实的规模。这使咱们能得出一些开始的定论。
      假如黑洞的寿数很长,那么只要小型原初黑洞现已变成白洞。这意味着现在宇宙中的大多数白洞都很小。白洞的尺度最小只要大约1微克,或半英寸(约1.27厘米)人类头发的质量。

这种或许性很是风趣,由于这种尺度的白洞相对安稳,它们或许是天文学家在宇宙中(直接)勘探到的奥妙暗物质的成分之一。其他大多数暗物质理论都需求修正现有的物理学规律,比方猜想有一类新粒子——超对称粒子。但由于这些设想粒子一向没有被勘探到,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,除了现已建立的物理学(即广义相对论和量子理论)外,不再需求任何新的理论,现在的观测成果也不能扫除这种假说。假如这是正确的,而且咱们现已调查到了白洞,那么它们就是暗物质!
       激烈的信号
      又或许,黑洞的寿数很短,那么今日隧穿的原初黑洞应该和一颗小行星质量适当,而且或许会剧烈爆破,大部分质量将以辐射的方式放出。这将开释高能世界射线和微波或无线电波段激烈的脉冲信号。后者特别引人入胜,由于最近咱们现已用射电望远镜勘探到了相似信号:奥妙的快速射电暴。咱们或许现已观测到了白洞。
      咱们不能承认这些信号是否真的来自白洞,究竟只要少数的勘探成果,脉冲也或许有其他来历。但咱们将在巨大样本中寻觅一个特征:扁平的红移。那些由间隔悠远、较为年青的白洞宣布的信号,其波长比间隔较近、较老的白洞短。一旦收集到足够多的数据,咱们便能在高能世界射线或快速无线电脉冲中发现这种现象,也将取得白洞存在的依据。
      假如终究发现白洞存在的依据,这将使咱们对世界的了解跋涉一大步。这代表着人类第一次直接观测到量子引力效果,从而为根底物理学中最大的问题——了解量子时空打开了一扇窗户。
      最终,我有一个思辨的主意。咱们的宇宙或许不是在大爆破中诞生的:它或许是从之前的坍缩阶段反弹出来的。这种或许性遵从圈量子引力和其他理论结构。宇宙反弹的量子机制相似于黑洞到白洞的反弹。如今宇宙暗物质中的普朗克白洞或许在反弹之前就现已构成了。假如是这样的话,时空在反弹时的几许形状就不像传统宇宙学所以为的那样是均匀的,而是皱巴巴的,由于每个白洞都像是刺入时空几许中的长刺。
      这个现实或许与时刻之箭的奥妙有关——时刻为什么只朝一个方向跋涉?时刻之箭或许并非人们一般以为的那样,是由宇宙的初始状况的“特别性”(即低熵)导致的。相反,这或许是一种透视现象,与咱们调查者的“特别”方位有关:咱们都在黑洞和白洞之外。
      虽然白洞简直没被探究过,但它的存在貌似是合理的。迄今为止,咱们还没有发现任何一个白洞,但要知道,在发现黑洞之前,咱们相同也阅历了很长时刻的猜想。

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