黑洞的结局有可能都是时空反转、万物无法进入

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倘若我们能观测一个正在变成白洞的黑洞，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。

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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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