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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)
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，宇宙中可能也遍布著白洞。
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。在這裡，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，現實世界裡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
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。在這裡，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
隧穿需要時間。放射性物質在幾千年里保持著准穩定的狀態。同樣，黑洞的壽命也很長。根據經典理論，黑洞將是永恆的。但沒有什麼東西是永恆的。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鐘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）靠近一顆大質量恆星或黑洞時，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，即視界範圍限制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，這些構型控制著黑洞的外部行為，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，黑洞不是永恆的。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恆星坍塌形成的。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，在蒸發時間限制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。白洞的尺寸最小只有大約1微克，或半英寸（約1.27厘米）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。宇宙反彈的量子機制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，我們同樣也經歷了很長時間的猜測。
https://www.newscientist.com/article/mg24032080-100-if-you-think-black-holes-are-strange-white-holes-will-blow-your-mind/
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