黑洞的中心究竟在发生什么？能否找到黑洞的反面白洞？

发布时间：2023-10-05 00:31:45 所属栏目：外闻来源：转载

导读： 　　探究黑洞中心发生了什么、寻找其相对的“反宇宙”——白洞，这是可能的吗？

　　千万不要相信教科书，即使是那些伟大的科学家写的教科书。诺贝尔物理学奖得

　　探究黑洞中心发生了什么、寻找其相对的“反宇宙”——白洞，这是可能的吗？

　　千万不要相信教科书，即使是那些伟大的科学家写的教科书。诺贝尔物理学奖得主、美国物理学家史蒂文·温伯格在1972年出版的巨著《引力与宇宙学》中，称黑洞是“高度猜测性的”，他写道“在宇宙中任何已知物体的引力场中都没有黑洞”。

　　白洞可能正在重复着同样的故事。白洞本质上是黑洞的反面。在另一本著名的教科书中，世界领先的相对论理论家、美国物理学家鲍勃·沃尔德写道：“没有理由相信宇宙中存在白洞”，而且这个观点至今仍主宰着天文学界。但是世界各地的几个研究小组，最近已开始研究量子力学为白洞的形成开辟一条道路的可能性。天空中可能也布满了白洞。

　　黑洞的中心到底在发生什么？

　　假设存在黑洞，一个显而易见的好处是，它可以解决一个历史遗留问题：黑洞的中心到底在发生什么？我们看到大量物质在黑洞周围盘旋，然后掉进去；所有掉进去的物质穿过黑洞的“视界”——即连宇宙中跑得最快的光一旦越过也无法返回的界线——径直往中心坠落，然后呢？没有人确切地知道然后。

　　我们目前对引力最好的描述是爱因斯坦的广义相对论。广义相对论预言，落入黑洞的物质最终会集中在一个密度无限大的中心点。这个点称为奇点。奇点是对现实世界的终结：因为奇点体积为零，万物在空间上化为乌有；时间本身也停止了。但这个预言是不可靠的，因为要描述黑洞的中心，广义相对论已经力不能及。在这里，引力是如此强大，以至于量子效应不再能忽略。为了理解这里发生的事情，我们需要一个引力的量子理论。

　　●在圈量子引力理论中，时空本身有最小的单位。

　　量子理论在解决这类涉及“无限大”或“无限小”的问题上是有经验的。譬如在20世纪初，经典物理学曾预言绕原子核运行的电子是不稳定的，它们的能量会无限地小下去（因为按经典物理学，运动的电荷要发射电磁波，从而损失能量），最后电子会打着转掉进原子核里。这个预言与实际情况不符。量子理论则阐明了这种现象为什么没有发生：因为原子核外的能量轨道就像田径跑道一样，不是连续的，而是分立，电子只能在这些分立的轨道上运动，而在同一个分立轨道上运动的电子不会发射电磁波；只有当它从一个分立轨道跳跃到另一个分立轨道（这叫“量子跃迁”），它才发射（或吸收）光子，损失（或获得）能量；而且在这些轨道里，有一个最低能量的轨道，电子不可能降得比它还低，从而掉进原子核里面去。

　　黑洞反弹变白洞

　　真正的反弹，不仅是宇宙的物质在真正的反弹，而且是宇宙的整个时空周期的结构在真正的反弹。你可以想象黑洞是一只袋子，先是物质掉进袋子；反弹意味着袋子整个翻了过来，原先掉进去的东西又全部倾倒出来。

　　一只向上弹起的球将沿着一条轨迹运动，看起来就像倒着放一只球下落的电影。白洞也像黑洞的电影倒着放。从外面看，它和黑洞没什么区别：它和黑洞一样也有质量，所以周围的物体都被它吸引，并且绕着它旋转。但是在黑洞的视界上，物质只能进不能出；而在白洞的视界上，物质则只能出不能进。

　　然而，早在1930年代，爱尔兰物理学家约翰·莱顿·辛格就发现，只要对广义相对论方程的解做微小的调整，就可以让黑洞变成白洞，而这种调整恰恰是量子力学所允许的。

　　那么，白洞在哪里呢？它是否很远，通过虫洞与黑洞相连？还是说，它在不同的宇宙？不，我们不需要这类古怪的假设。其实，它就在黑洞所在的同一个地方，只是它代表黑洞的未来：在黑洞的第一阶段，黑洞是黑的，物质落入其中；但在第二阶段，黑洞的时空结构发生反弹，变成了白洞，物质从洞里涌出来。

　　反弹的机制：量子隧道效应

　　但是，这一切是怎么发生的呢？好端端的黑洞，剧情怎么会发生逆转呢？这里，又是奇妙的量子效应发挥了作用。

　　在量子物理学上有一个奇妙的现象，叫“量子隧道效应”。打个比方说，有一个球，给它一个能量，让它翻过前面的一个坡。如果它的能量不够大，那么滚到半坡就不能再向上走一步了。然后，只好滚下来。他永远也不可能翻过坡顶。这是经典物理学为我们描述的，也是我们在现实中所看到的现象。

　　但是在量子世界，奇怪的事情却发生了：这个球的能量虽然不够翻过坡顶，但它依然有一定的概率穿过这座坡，在坡的另一边出现。就好像有条隧道供他投机取巧。

　　黑洞变白洞，也是量子隧道效应的结果。但是有一点又是跟平常所见的量子隧道效应大不相同的：之前，发生隧道效应的都是实物粒子，但是在黑洞的剧情中，发生隧道效应的是黑洞内部的时空结构——时空本身发生量子隧道效应，整个时空像袋子一样，粒子朝外翻了。

　　反弹是超级慢的动作

　　但发生隧道效应是需要时间的。宏观的物体原则上也能发生隧道效应，但概率非常非常小；换句话说，要等非常非常久，才可能看到一个宏观的球通过隧道效应出现在坡的另一边。

　　黑洞虽然能通过隧道效应变成白洞，同样也需要我们等很长时间，所以一般的黑洞有很长的寿命。如果按经典的黑洞理论，黑洞的存在将是永恒的。但斯蒂芬·霍金早就指出，考虑在黑洞视界附近发生的量子效应，黑洞会缓慢蒸发而缩小。当它们缩小时，通过隧道效应变成白洞的可能性就会增加。

　　答案是迷人的。在广义相对论中，时间是非常有伸缩性的。引力越强的地方，时间流逝得越慢。比如在地球上，时间在海平面位置比在山上流逝得要慢些，因为海平面更靠近地球中心，引力更强。大质量恒星或黑洞的时间流逝得甚至更慢。这就解决了这个难题：在黑洞内非常短的时间，对应黑洞外可以非常长。从黑洞外部看，黑洞的物质已经在反弹，只是反弹以某种极度夸张的慢动作在进行着。就好比一个口袋，事实上翻转已经在发生，只是从外面看来，速度非常之慢，需要非常长的时间，里子才能彻底翻出来。一旦彻底翻出来，黑洞就变成了白洞。

　　这个“黑洞反弹变成白洞”的方案，不仅让我们避免了密度无限大的奇点，另外一个好处是，它还解决了著名的黑洞信息悖论。如果黑洞内部存在奇点，时间在黑洞内结束，万物在奇点处化为乌有，掉进黑洞的物质所携带的信息就丢失了。但量子力学却告诉我们，任何信息都不会丢失。这就是所谓的“黑洞信息悖论”。而现在，如果任何掉进黑洞的东西，最终都要弹出来，信息自然就不会丢失了。

　　所有这些都为黑洞一生的演化提供了一个吸引人的剧情。在黑洞内部没有奇点，没有时空结束的地方，从外部看黑洞不是永恒的；相反，在某个时间点，黑洞会变成白洞，任何落入其中的东西都会逃逸出来。这个剧情在理论上是很漂亮的。这是否意味着天空中真的布满了白洞？如果是这样，我们能看见它们吗？事实上，这种情况是不可能的。首先，我们必须知道，白洞是一种时空隧道，它的存在只是为了引导我们进入另一个时空。

（编辑：上海站长网）

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