尋找黑洞的反面

千萬(wàn)不要相信教科書(shū)，即使是那些偉大的科學(xué)家寫(xiě)的教科書(shū)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)物理學(xué)家史蒂文·溫伯格在1972年出版的巨著《引力與宇宙學(xué)》中，稱(chēng)黑洞是“高度猜測(cè)性的”，他寫(xiě)道“在宇宙中任何已知物體的引力場(chǎng)中都沒(méi)有黑洞”。

但他完全錯(cuò)了。

幾十年來(lái)，射電天文學(xué)家們其實(shí)一直都能探測(cè)到物質(zhì)落入黑洞之前發(fā)出的信號(hào)，只是他們自己沒(méi)有意識(shí)到而已。今天，我們有很多證據(jù)表明天空中布滿(mǎn)了黑洞。

白洞可能正在重復(fù)著同樣的故事。白洞本質(zhì)上是黑洞的反面。在另一本著名的教科書(shū)中，世界領(lǐng)先的相對(duì)論理論家、美國(guó)物理學(xué)家鮑勃·沃爾德寫(xiě)道：“沒(méi)有理由相信宇宙中存在白洞”，而且這個(gè)觀(guān)點(diǎn)至今仍主宰著天文學(xué)界。但是世界各地的幾個(gè)研究小組，最近已開(kāi)始研究量子力學(xué)為白洞的形成開(kāi)辟一條道路的可能性。天空中可能也布滿(mǎn)了白洞。

黑洞的中心到底在發(fā)生什么？

假設(shè)存在白洞，一個(gè)顯而易見(jiàn)的好處是，它可以解決一個(gè)歷史遺留問(wèn)題：黑洞的中心到底在發(fā)生什么？我們看到大量物質(zhì)在黑洞周?chē)P(pán)旋，然后掉進(jìn)去;所有掉進(jìn)去的物質(zhì)穿過(guò)黑洞的“視界”——即連宇宙中跑得最快的光一旦越過(guò)也無(wú)法返回的界線(xiàn)——徑直往中心墜落，然后呢？沒(méi)有人確切地知道然后。

我們目前對(duì)引力最好的描述是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論預(yù)言，落入黑洞的物質(zhì)最終會(huì)集中在一個(gè)密度無(wú)限大的中心點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為奇點(diǎn)。奇點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的終結(jié)：因?yàn)槠纥c(diǎn)體積為零，萬(wàn)物在空間上化為烏有;時(shí)間本身也停止了。但這個(gè)預(yù)言是不可靠的，因?yàn)橐枋龊诙吹闹行模瑥V義相對(duì)論已經(jīng)力不能及。在這里，引力是如此強(qiáng)大，以至于量子效應(yīng)不再能忽略。為了理解這里發(fā)生的事情，我們需要一個(gè)引力的量子理論。

量子理論在解決這類(lèi)涉及“無(wú)限大”或“無(wú)限小”的問(wèn)題上是有經(jīng)驗(yàn)的。譬如在20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)曾預(yù)言繞原子核運(yùn)行的電子是不穩(wěn)定的，它們的能量會(huì)無(wú)限地小下去（因?yàn)榘唇?jīng)典物理學(xué)，運(yùn)動(dòng)的電荷要發(fā)射電磁波，從而損失能量），最后電子會(huì)打著轉(zhuǎn)掉進(jìn)原子核里。這個(gè)預(yù)言與實(shí)際情況不符。量子理論則闡明了這種現(xiàn)象為什么沒(méi)有發(fā)生：因?yàn)樵雍送獾哪芰寇壍谰拖裉飶脚艿酪粯?，不是連續(xù)的，而是分立，電子只能在這些分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，而在同一個(gè)分立軌道上運(yùn)動(dòng)的電子不會(huì)發(fā)射電磁波;只有當(dāng)它從一個(gè)分立軌道跳躍到另一個(gè)分立軌道（這叫“量子躍遷”），它才發(fā)射（或吸收）光子，損失（或獲得）能量;而且在這些軌道里，有一個(gè)最低能量的軌道，電子不可能降得比它還低，從而掉進(jìn)原子核里面去。

量子效應(yīng)同樣可以阻止黑洞內(nèi)部密度無(wú)限大的奇點(diǎn)的形成。在這種情況下，正如圈量子引力理論（一種發(fā)展中的量子引力理論）所預(yù)言的，是時(shí)空本身的量子化發(fā)揮了作用。在圈量子引力理論中，時(shí)空本身也是量子化的，空間和時(shí)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(wú)限小，密度也不會(huì)變得無(wú)限大。墜落到中心的物質(zhì)被擠壓成超級(jí)致密的狀態(tài)，稱(chēng)為“普朗克星”，但不會(huì)比這更致密的了。然后呢？然后，物質(zhì)可以做墜落結(jié)束后通常會(huì)發(fā)生的事情：反彈。

黑洞反彈變白洞

反彈，不僅是物質(zhì)在反彈，而且是整個(gè)時(shí)空結(jié)構(gòu)在反彈。你可以想象黑洞是一只袋子，先是物質(zhì)掉進(jìn)袋子;反彈意味著袋子整個(gè)翻了過(guò)來(lái)，原先掉進(jìn)去的東西又全部?jī)A倒出來(lái)。

一只向上彈起的球?qū)⒀刂粭l軌跡運(yùn)動(dòng)，看起來(lái)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(méi)什么區(qū)別：它和黑洞一樣也有質(zhì)量，所以周?chē)奈矬w都被它吸引，并且繞著它旋轉(zhuǎn)。但是在黑洞的視界上，物質(zhì)只能進(jìn)不能出;而在白洞的視界上，物質(zhì)則只能出不能進(jìn)。

其實(shí)，理論上白洞的存在也是廣義相對(duì)論所預(yù)言的。它是廣義相對(duì)論方程的精確解。但是長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直把它看作數(shù)學(xué)游戲，并不代表任何真實(shí)的存在，就像過(guò)去人們對(duì)待黑洞一樣，因?yàn)槿藗兒茈y想象這些稀奇古怪的東西在現(xiàn)實(shí)中怎么能形成。

然而，早在1930年代，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·萊頓·辛格就發(fā)現(xiàn)，只要對(duì)廣義相對(duì)論方程的解做微小的調(diào)整，就可以讓黑洞變成白洞，而這種調(diào)整恰恰是量子力學(xué)所允許的。

那么，白洞在哪里呢？它是否很遠(yuǎn)，通過(guò)蟲(chóng)洞與黑洞相連？還是說(shuō)，它在不同的宇宙？不，我們不需要這類(lèi)古怪的假設(shè)。其實(shí)，它就在黑洞所在的同一個(gè)地方，只是它代表黑洞的未來(lái)：在黑洞的第一階段，洞是黑的，物質(zhì)落入其中;但在第二階段，黑洞的時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生反彈，變成了白洞，物質(zhì)從洞里涌出來(lái)。

反彈的機(jī)制：量子隧道效應(yīng)

但是，這一切是怎么發(fā)生的呢？好端端的黑洞，劇情怎么會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)呢？這里，又是奇妙的量子效應(yīng)發(fā)揮了作用。

在量子物理學(xué)上有一個(gè)奇妙的現(xiàn)象，叫“量子隧道效應(yīng)”。打個(gè)比方說(shuō)，有一個(gè)球，給它一個(gè)能量，讓它翻過(guò)前面的一個(gè)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(lái)。它永遠(yuǎn)也不可能翻過(guò)坡頂。這是經(jīng)典物理學(xué)為我們描述的，也是我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中所看到的現(xiàn)象。

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

這當(dāng)然違反了經(jīng)典物理學(xué)，但這種現(xiàn)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(gè)放射性就是量子隧道效應(yīng)的結(jié)果。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，被囚禁在原子核內(nèi)的粒子是無(wú)法逃逸出來(lái)的，因?yàn)閺?qiáng)大的核力構(gòu)筑了一個(gè)無(wú)形的“陷阱”，核內(nèi)的粒子深陷在“陷阱”中。但量子理論卻允許粒子通過(guò)“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(yīng)的結(jié)果。但是有一點(diǎn)又是跟平常所見(jiàn)的量子隧道效應(yīng)大不相同的：之前，發(fā)生隧道效應(yīng)的都是實(shí)物粒子，但是在黑洞的劇情中，發(fā)生隧道效應(yīng)的是黑洞內(nèi)部的時(shí)空結(jié)構(gòu)——時(shí)空本身發(fā)生量子隧道效應(yīng)，整個(gè)時(shí)空像袋子一樣，里子朝外翻了。

反彈是超級(jí)慢的動(dòng)作

但發(fā)生隧道效應(yīng)是需要時(shí)間的。宏觀(guān)的物體原則上也能發(fā)生隧道效應(yīng)，但概率非常非常小;換句話(huà)說(shuō)，要等非常非常久，才可能看到一個(gè)宏觀(guān)的球通過(guò)隧道效應(yīng)出現(xiàn)在坡的另一邊。

黑洞雖然能通過(guò)隧道效應(yīng)變成白洞，同樣也需要我們等很長(zhǎng)時(shí)間，所以一般的黑洞有很長(zhǎng)的壽命。如果按經(jīng)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(fā)生的量子效應(yīng)，黑洞會(huì)緩慢蒸發(fā)而縮小。當(dāng)它們縮小時(shí)，通過(guò)隧道效應(yīng)變成白洞的可能性就會(huì)增加。

但是，讀到這里你可能困惑了：我們看到的黑洞，年齡動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)年，因此一個(gè)大黑洞要穿越“隧道”，反彈成白洞，需要很長(zhǎng)的時(shí)間。這沒(méi)錯(cuò)！但前面不是說(shuō)，物質(zhì)往黑洞中心落的時(shí)候，不會(huì)擠壓成體積為零的點(diǎn)，而是落到一定程度就開(kāi)始反彈嗎？物質(zhì)落入黑洞，到達(dá)中心，然后反彈，這可能幾秒鐘就夠了。這兩個(gè)時(shí)間怎么對(duì)不上號(hào)呢？

答案是迷人的。在廣義相對(duì)論中，時(shí)間是非常有伸縮性的。引力越強(qiáng)的地方，時(shí)間流逝得越慢。比如在地球上，時(shí)間在海平面位置比在山上流逝得要慢些，因?yàn)楹Ｆ矫娓拷厍蛑行?，引力更?qiáng)。大質(zhì)量恒星或黑洞的時(shí)間流逝得甚至更慢。這就解決了這個(gè)難題：在黑洞內(nèi)非常短的時(shí)間，對(duì)應(yīng)黑洞外可以非常長(zhǎng)。從黑洞外部看，黑洞的物質(zhì)已經(jīng)在反彈，只是反彈以某種極度夸張的慢動(dòng)作在進(jìn)行著。就好比一個(gè)口袋，事實(shí)上翻轉(zhuǎn)已經(jīng)在發(fā)生，只是從外面看來(lái)，速度非常之慢，需要非常長(zhǎng)的時(shí)間，里子才能徹底翻出來(lái)。一旦徹底翻出來(lái)，黑洞就變成了白洞。

這個(gè)“黑洞反彈變成白洞”的方案，不僅讓我們避免了密度無(wú)限大的奇點(diǎn)，另外一個(gè)好處是，它還解決了著名的黑洞信息悖論。如果黑洞內(nèi)部存在奇點(diǎn)，時(shí)間在黑洞內(nèi)結(jié)束，萬(wàn)物在奇點(diǎn)處化為烏有，掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)所攜帶的信息就丟失了。但量子力學(xué)卻告訴我們，任何信息都不會(huì)丟失。這就是所謂的“黑洞信息悖論”。而現(xiàn)在，如果任何掉進(jìn)黑洞的東西，最終都要彈出來(lái)，信息自然就不會(huì)丟失了。

所有這些都為黑洞一生的演化提供了一個(gè)吸引人的劇情。在黑洞內(nèi)部沒(méi)有奇點(diǎn)，沒(méi)有時(shí)空結(jié)束的地方，從外部看黑洞不是永恒的;相反，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，黑洞會(huì)變成白洞，任何落入其中的東西都會(huì)逃逸出來(lái)。這個(gè)劇情在理論上是很漂亮的。這是否意味著天空中真的布滿(mǎn)了白洞？如果是這樣，我們能看見(jiàn)它們嗎？

白洞在哪里？

對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答是與否，取決于宇宙中我們還沒(méi)有完全理解的一些事情。我們?cè)谔炜罩锌吹降拇蠖鄶?shù)黑洞都是由恒星坍塌形成的。這些黑洞都太年輕，質(zhì)量太大，以至于現(xiàn)在還無(wú)法變成白洞——黑洞越大，壽命越長(zhǎng)。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(jīng)或正在通過(guò)隧道效應(yīng)變成白洞。但是它們的數(shù)量有多少，我們卻無(wú)法確切地估計(jì)。

另一個(gè)不確定性的來(lái)源是黑洞的壽命。經(jīng)典的黑洞理論認(rèn)為黑洞是永恒的。但霍金考慮了在黑洞視界附近發(fā)生的量子效應(yīng)（正反粒子的產(chǎn)生及湮滅）之后，認(rèn)為黑洞會(huì)通過(guò)霍金輻射蒸發(fā)，這就讓黑洞有了一個(gè)壽命?，F(xiàn)在，黑洞又可以通過(guò)“量子隧道效應(yīng)”變成白洞，這又給了黑洞一個(gè)壽命。這樣一來(lái)，黑洞的壽命就不確定了。

如果黑洞的壽命很長(zhǎng)，只有小的原始黑洞已經(jīng)或正在變成白洞。這意味著目前天空中的大多數(shù)白洞都應(yīng)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(dāng)于一根1厘米長(zhǎng)的頭發(fā)絲的重量。

這是一個(gè)有趣的可能性，因?yàn)檫@樣大小的白洞可以相對(duì)穩(wěn)定，它們可能是天文學(xué)家在天空中（間接）探測(cè)到的神秘暗物質(zhì)的組成部分。當(dāng)前，大多數(shù)關(guān)于暗物質(zhì)的其他假設(shè)都要求修改已有的物理定律。例如，一些新理論預(yù)言存在一種被稱(chēng)為“超對(duì)稱(chēng)粒子”的新粒子，它們是暗物質(zhì)粒子的候選者，但實(shí)驗(yàn)中未能探測(cè)到這些粒子，所以這些理論是有問(wèn)題的。

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

另一種可能是，如果黑洞的壽命短，那么今天正在發(fā)生隧道效應(yīng)的原始黑洞應(yīng)該具有小行星的質(zhì)量，并且可能會(huì)劇烈爆炸，將其大部分質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛洹＿@類(lèi)事件應(yīng)該會(huì)發(fā)射能量極高的宇宙射線(xiàn)和短促而強(qiáng)烈的無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)。后者特別令人感興趣，因?yàn)轭?lèi)似的信號(hào)已經(jīng)被探測(cè)到：由射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的神秘的快速無(wú)線(xiàn)電爆發(fā)即是。在這種可能中，同樣我們也許已經(jīng)看到了白洞。

如果找到天空中白洞存在的證據(jù)，將讓我們對(duì)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(fā)揮作用的首個(gè)直接觀(guān)測(cè)證據(jù)，并為理解物理學(xué)中的最大問(wèn)題——時(shí)空量子化問(wèn)題——打開(kāi)了一扇窗口。

最后，一個(gè)非常合理的猜測(cè)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(lái)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(jī)制類(lèi)似于黑洞變白洞的反彈。