黑洞到底是什么(白洞与黑洞)

永远不要相信教科书，即使是大科学家写的。诺贝尔物理学奖得主、美国物理学家史蒂芬·温伯格在他1972年出版的巨著《引力与宇宙学》中称黑洞是“高度推测的”。他写道“宇宙中任何已知物体的引力场中都不存在黑洞”。

但是他完全错了。

几十年来，射电天文学家已经能够在物质落入黑洞之前探测到信号，但他们没有意识到这一点。今天，我们有很多证据表明天空空充满了黑洞。

白洞可能在重复同样的故事。白洞本质上是黑洞的对立面。在另一本著名的教科书中，世界著名的相对主义理论家、美国物理学家鲍勃·瓦尔德(Bob Wald)写道:“没有理由相信宇宙中存在白洞”，这一观点至今仍主导着天文学界。然而，世界各地的几个研究小组最近开始研究量子力学为白洞的形成开辟道路的可能性。天空空也可能布满白洞。

黑洞中心发生了什么？

假设有一个白洞，一个明显的好处就是可以解决一个历史问题:黑洞的中心到底是怎么回事？我们看到很多物质在黑洞周围盘旋，然后掉进去；所有下落的物质都穿过黑洞的“视界”——也就是说，即使是宇宙中最快的光，一旦穿越就无法返回——直直地落到中心。然后呢？没有人确切知道，然后。

目前我们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。这个点叫做奇点。奇点是现实世界的尽头:因为奇点的体积为零，所以一切在空之间消失；时间本身停止了。然而，这个预测是不可靠的，因为广义相对论超出了描述黑洞中心的范围。在这里，引力是如此之强，以至于量子效应不能再被忽略。为了理解这里发生了什么，我们需要一个引力的量子理论。

●在圈量子力理论中，时间空本身是最小的单位。

量子理论在解决这类涉及无穷或无穷小的问题方面经验丰富。比如20世纪初，经典物理学预言围绕原子核运动的电子是不稳定的，它们的能量会无限小(因为根据经典物理学，运动的电荷会发出电磁波，从而失去能量)，最后电子会在一片旋转中落入原子核。这一预测与实际情况不符。量子理论解释了为什么没有出现这种现象:因为原子核外的能量轨道和田径跑道一样，不是连续的，而是离散的，电子只能在这些离散的轨道上运动，而在同一离散轨道上运动的电子不发射电磁波；只有当它从一个离散的轨道跳到另一个轨道时(这被称为“量子跃迁”)，它才发射(或吸收)光子，并失去(或获得)能量；而且在这些轨道中，有一个能量最低，电子不可能落到比它更低的位置，从而落入原子核。

量子效应也可以阻止黑洞内部无限密度奇点的形成。在这种情况下，正如loop量子引力理论(一种发展中的量子引力理论)所预言的，起作用的是时间空本身的量子化。在圈量子引力理论中，时间空本身是量子化的，深圳生命网中最小的单位还有空之间的时间——虽然很小，但毕竟不是零。所以黑洞的中心不可能无限小，密度也不会变得无限大。落到中心的物质被挤压成超致密状态，叫做普朗克星，但不可能比这个更致密。然后呢，物质会做通常在下落后发生的事情:反弹。

黑洞反弹，变成白洞。

反弹，不仅是材料在反弹，整个时间空结构也在反弹。你可以把黑洞想象成一个袋子。首先，物质落入袋中。反弹就是把整个袋子翻过来，把原来掉进去的东西都重新倒出来。

向上弹起的球会沿着一个轨迹运动，这看起来就像一部电影，球向后落下。白洞也像黑洞。电影是倒着放的。从外面看，它和黑洞没什么区别:它的质量和黑洞一样，所以周围的一切都被它吸引，围绕着它旋转。但在黑洞的视界里，物质只能进不能出；在白洞的视界上，物质只能出去不能进去。

其实理论上白洞的存在也是广义相对论预言的。它是广义相对论方程的精确解。但长期以来，人们一直将其视为一个数学游戏，并不代表任何真实的存在，就像人们过去对待黑洞一样，因为人们很难想象这些奇怪的东西在现实中是如何形成的。

然而，早在20世纪30年代，爱尔兰物理学家约翰·莱顿·辛格(John Leiden Singer)就发现，通过对广义相对论方程的解进行微小的调整，黑洞可以变成白洞，这正是量子力学所允许的。

那么，白洞在哪里？是不是很远，通过虫洞与黑洞相连？还是在另一个宇宙？不，我们不需要这么奇怪的假设。其实是在黑洞所在的同一个地方，只是代表了黑洞的未来:黑洞的第一阶段，洞是黑的，物质掉进去了；但在第二阶段，黑洞的time 空结构反弹回来，变成了白洞，物质从其中涌出。

反弹机制:量子隧道效应

但是这一切是怎么发生的呢？好黑洞，剧情怎么反转？在这里，起作用的是奇妙的量子效应。

量子物理学中有一种奇妙的现象叫做“量子隧道效应”。比如有一个球，给它能量，让它在前面爬一个坡。如果它的能量不够大，滚到半坡就上不了一步。然后，我只好滚了下去。它永远也不能爬上坡顶。这是经典物理为我们描述的，也是我们在现实中看到的。

但在量子世界里，奇怪的事情发生了:虽然这个球的能量不足以爬过坡顶，但它仍然有一定的概率穿过斜坡，出现在斜坡的另一边。就像有一个隧道让它投机取巧。

当然这违背了经典物理学，但这种现象确实存在。比如我们知道很多原子都有天然的放射性，这种放射性就是量子隧道效应的结果。根据经典力学，被囚禁在原子核中的粒子是无法逃脱的，因为强大的核力构筑了一个无形的“陷阱”，原子核中的粒子被囚禁在“陷阱”中。但量子理论允许粒子通过“隧道”穿过“陷阱”，逃逸到原子核外。

黑洞变成白洞也是量子隧道效应的结果。但是，有一点和通常的量子隧穿效应有很大的不同:之前，所有的隧穿效应都是物理粒子，但是在黑洞的故事中，隧穿效应是由黑洞的内部结构——时间空本身引起的，整个时间空变成了一个袋子。

篮板是一个超级慢的动作。

但是隧道效应的发生需要时间。原则上，宏观物体也可以有隧穿效应，但概率非常非常小；换句话说，需要非常非常长的时间，才能通过隧道效应看到一个宏观的球出现在斜坡的另一边。

虽然黑洞可以通过隧穿变成白洞，但也需要我们很长时间的等待，所以普通黑洞的寿命很长。根据经典黑洞理论，黑洞的存在将是永恒的。但斯蒂芬·霍金早就指出，考虑到黑洞视界附近的量子效应，黑洞会慢慢蒸发收缩。当它们收缩时，通过隧穿变成白洞的可能性会增加。

不过，看完这个，你可能会疑惑:我们看到的黑洞都有几百年的历史了，所以一个大黑洞穿越“隧道”反弹回白洞需要很长时间。没错！但不是说物质落到黑洞中心时，不会被挤压成体积为零的点，而是落到一定程度后会反弹吗？物质落入黑洞，到达中心，然后反弹回来，可能几秒钟就够了。为什么这两个时间不能匹配？

答案很吸引人。在广义相对论中，时间是非常灵活的。引力越强，时间过得越慢。比如在地球上，时间在海平面上比在山上过得更慢，因为海平面离地心更近，引力更强。在大质量恒星或黑洞中，时间过得更慢。这就解决了这个问题:在黑洞里很短的时间，在黑洞外却可以很长。从黑洞的外部来看，黑洞的物质已经在反弹了，但是反弹是以某种极其夸张的慢动作在进行。就像一个口袋。其实已经在发生了，只是从外面看，速度很慢，内衬完全翻出来需要很长时间。一旦完全翻出，黑洞就变成了白洞。

这种“黑洞反弹成白洞”的方案不仅让我们避免了无限密度的奇点，还有一个好处就是它解决了著名的黑洞信息悖论。如果黑洞内部存在奇点，时间在黑洞中终结，一切都在奇点消失，落入黑洞的物质所携带的信息也就丢失了。但是量子力学告诉我们，任何信息都不会丢失。这就是所谓的“黑洞信息悖论”。现在，如果落入黑洞的任何东西最终弹出来，信息自然不会丢失。

所有这些都为黑洞在其一生中的演化提供了一个有吸引力的故事。黑洞内部没有奇点，也没有时间空终结的地方。从外面看，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。这个情节理论上很美。这是否意味着天空空真的充满了白洞？如果有，我们能看看吗？

白洞在哪里？

这个问题的答案取决于宇宙中一些我们还没有完全了解的东西。我们在天空中看到的大部分黑洞空都是恒星坍缩形成的。这些黑洞太年轻，质量太大，不可能是现在的白洞——黑洞越大，寿命越长。然而，在大爆炸后不久的早期宇宙中，有可能形成更小的黑洞。这些原始黑洞可能已经或正在通过隧穿变成白洞。但具体有多少，我们无法确切估计。

不确定性的另一个来源是黑洞的寿命。经典黑洞理论认为黑洞是永恒的。然而，在考虑了黑洞事件视界附近的量子效应(正负粒子的产生和湮灭)后，霍金认为黑洞会被霍金辐射蒸发，这赋予了它们一生的时间。现在，黑洞可以通过“量子隧道效应”变成白洞，这赋予了它们一生的时间。因此，黑洞的寿命是不确定的。

如果黑洞的寿命很长，那么只有小的原始黑洞已经成为或正在成为白洞。这意味着，目前，天空中大多数白洞空的尺寸应该是最小的。最小的白洞尺寸是普朗克尺寸，也就是1微克左右，相当于一根1厘米长头发的重量。

这是一个有趣的可能性，因为这种大小的白洞可以相对稳定，它们可能是天文学家在天空中(间接)探测到的神秘暗物质的一部分空。目前，大多数关于暗物质的其他假设都需要修改现有的物理定律。比如一些新的理论预言了一种叫做“超对称粒子”的新粒子的存在，这种粒子是暗物质粒子的候选粒子，但是这些粒子在实验中并没有被探测到，所以这些理论是有问题的。

但是，如果我们假设暗物质是由小黑洞组成的(它们已经是或者正在成为白洞)，我们就不需要在已经建立的物理大楼上增加任何东西，它们也符合物理学家所要求的暗物质的奇特性质。如果这是正确的，那么我们实际上已经观察到了白洞:它们是暗物质！

另一种可能是，如果黑洞的寿命很短，那么今天正在经历隧道效应的原始黑洞应该具有小行星的质量，可能会剧烈爆炸，将其大部分质量转化为辐射。这种事件应该会发射出能量极高的宇宙射线和短暂而强烈的无线电波信号。后者尤为有趣，因为类似的信号也曾被探测到:射电望远镜探测到的神秘快速射电爆发是。在这种可能性中，我们可能已经看到了白洞。

如果我们找到了天空中存在白洞的证据空，我们对宇宙的认识将又前进了一大步。它们可以代表量子引力在宇宙中起作用的第一个直接观测证据，为理解物理学中最大的问题——时间空量子化问题打开了一扇窗。

最后，一个非常合理的猜测是，我们的宇宙可能不是在大爆炸中诞生的，而是从之前的坍缩阶段反弹回来的。圈量子引力和其他量子引力理论都允许这种可能性。宇宙反弹的量子机制类似于黑洞转白洞。

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