如果黑洞變白

如果黑洞變白

神秘的無線電信號

2012年11月2日，一道強烈的無線電波從波多黎各的加勒比島上空划過。沒有人可以直接用肉眼看見這個壯觀的「焰火」，但是它被這裡的阿雷西博天文台305米寬的射電望遠鏡捕捉到了。

射電天文學家一直在等待著這種信號：一個快速射電爆發。這種只持續千分之幾秒的極為明亮的射電脈衝，是宇宙中極為罕見的現象，迄今為止，世界上所有的天文台監視到這樣的事件總共也只有11次。

這些奇怪的脈衝究竟是什麼仍是一個謎。一些人認為它們來自緻密星體或是黑洞在與恆星「跳舞」時產生的。一些人甚至提出一個大膽的想法，聲稱它們可能是外星人發過來的信號。

最近又有人提出了新的解釋，認為這種信號是黑洞以一種全新的方式產生的。如果真的是這樣的話，那麼這將會改變我們對宇宙的理解，還能把兩種水火不容的物理理論結合起來。它甚至是我們能解釋一切的開始。

黑洞內的奇點

沒有什麼比我們在試圖理解黑洞時更有困惑感了。黑洞是一種時空區域，它們的引力如此強烈，以至於沒有什麼可以從黑洞中逃離出來。不管是什麼，一個光子或是一位英勇無畏的宇航員，掉進黑洞就再也出不來。

這個結論是廣義相對論告訴我們的。根據廣義相對論，所有物質最終會擠在黑洞的中心，在那裡會形成一個奇點：一個密度無限大的點。而這種無限大的性質使得目前所有的物理定律失效，因此，沒人會知道奇點那裡發生了什麼。

當前的物理學中，描述引力的理論是廣義相對論，描述極為微小的空間下的理論是量子力學。為了搞清楚黑洞的奇點究竟是怎麼一回事，我們需要知道在極為微小的空間中引力是如何發生作用的。也就是說，我們需要一個把廣義相對論與量子力學結合起來的理論，即找到一種量子引力理論。但可惜的是，把這兩個理論結合起來的難度很高，我們不知道這樣的理論究竟該是什麼樣子的。

物理學家急需一個指引，使得他們找到通往量子引力理論的正確道路。而現在，一些科學家覺得這個快速射電爆發可能就是大家所等待的一個指引。

黑洞變白洞

新的想法來自於美國巴德學院的哈爾·哈格德和法國艾克斯－馬賽大學卡爾羅·羅威利一起做的研究。哈格德是圈量子引力論（一種量子引力候選理論）的奠基人之一，圈量子引力論認為時空是由無數個細小的纖維圈構成的一種「織品」。從遠處看，這個「織品」好像是連續光滑的，但從近距離看，這個「織品」是由微小的不可分割的纖維圈構成的。這種纖維圈就是時空本身的量子——時空最小的結構。

他們把圈量子引力論應用到黑洞那裡，得到了一個驚人的結論：黑洞中心物質密度達到一定值時就變得不可壓縮。也就是說，黑洞內部並不存在奇點。相反，繼續擠壓會使得時空的纖維圈產生一個向外的壓力，發生「量子反彈」——一場會破壞整個黑洞的爆炸。

這並不是物理學家們第一次提出把黑洞變沒的把戲。例如，霍金就曾經提出一種基於熱力學定律的機制，這會使得一個黑洞發生蒸發，直至最終消失，儘管這要花費極為漫長的時間。不過，哈格德和羅威利提出的這個新理論是很不尋常的，其中關鍵的一點是，黑洞發生量子反彈後，就變成了一個白洞。白洞與黑洞正好相反，是一個只出不進的時空區域，它「吐出」的粒子永遠無法再被它吸收。

廣義相對論認為，白洞在理論上是可以存在的，但黑洞卻不可能演變成一個白洞。哈格德和羅威利認為，黑洞演變成一個白洞，應該是一種稱為隧道效應的量子現象的結果，因此廣義相對論無法推導出來。隧道效應可以允許粒子跨越不可能的障礙從一種狀態轉變為另一種狀態。在核聚變中，就有隧道效應發生，例如在我們的太陽中，隧道效應可以使得質子克服一個不可逾越的能量勢壘來參與聚變。

在量子引力中，隧道效應也能發揮作用。哈格德和羅威利的想法是，所有的物質不管怎麼坍縮，都無法形成一個奇點，在整個物質接近一個單獨時空纖維圈時，整個黑洞通過量子隧道效應變為白洞的概率越來越大，直到「嘣！」黑洞突然變為了一個白洞。

黑洞爆炸的信號

黑洞能變為白洞，這個想法可能有點過於戲劇性。要想說服懷疑者最好的辦法就是真的能檢測到黑洞的這種爆炸。2014年，羅威利與幾個同事一起搞清楚了黑洞發生這種爆炸時會產生什麼信號。

他們發現，黑洞爆炸產生的信號波長正好等於它的直徑。這樣的話，大黑洞產生長的波長，小黑洞產生短的波長。宇宙早期可能因物質漲落形成很小的黑洞，這些黑洞甚至小到肉眼無法辨別的尺寸。這種黑洞被稱為太初黑洞，而太初黑洞爆炸產生的信號波長最短可以只有幾毫米。換句話說，這種信號正好處在紅外線和無線電波之間。

這個發現使得羅威利等人聯想到阿雷西博天文台檢測到的神秘信號。他們認為，這些罕見的快速射電爆發可能就是太初黑洞爆炸產生的信號。他們在2014年向世界公布了他們的研究結果。他們預測出的黑洞爆炸信號是與觀測到的快速射電爆發最吻合的一個。

更進一步的預測

另外，他們的理論還做出了一個預測，可以在未來對其進行檢驗。這個預測與黑洞的量子反彈花多長時間有關。

羅威利等人的理論表明，黑洞的質量越大，黑洞就需要經歷更長的時間才能發生量子反彈。也就是說質量越大，黑洞壽命越長。反之，質量越小，黑洞壽命越短。

太初黑洞通常很小，是孤立在太空中的天體，它們的大小在誕生後就固定了下來。如果他們的理論是正確的，那麼更小的黑洞會更早地發生爆炸，而且產生的快速射電爆發的波長會更短。

如果我們在地球上觀測到遙遠的太初黑洞的爆炸信號，那麼這意味著這個黑洞很早就爆炸了，壽命比較短。壽命短，就意味著質量小，產生的信號波長會更短。換句話說，更遠的太初黑洞爆炸信號的波長應該比附近的更短。如果快速射電爆發也符合這種規律，那麼這將極大地支持羅威利等人的理論。

目前，所有檢測到的快速射電爆發都是來自比較近的位置，所以波長是否隨著距離發生變化還不能被檢測出來。另外，目前總共只檢測到了11次快速射電爆發，這在統計學上幾乎沒有什麼分析價值。所以，現在還需等待。隨著時間的推移，研究人員希望能發現更多快速射電爆發，並建立一個適當的資料庫。

宇宙大反彈？

廣義相對論預測的另一個出現奇點的地方，就是宇宙大爆炸的那一時刻。但是，如果時空的纖維圈會阻止黑洞內部形成奇點，那麼我們的宇宙是怎麼來的？也許，並不是源自一場大爆炸，而是一場大反彈。

大反彈假說已經存在一段時間了，說的是我們的宇宙並不是從無之中爆炸出來的，而是先前的宇宙發生坍縮了，其中的所有物質在引力的作用下坍縮到一起，然後發生了一個巨大的量子反彈，使得一切都分散開來，於是我們的宇宙誕生了。

然而，並不是所有科學家都支持「量子反彈」假說，一些研究人員認為，快速射電爆發很可能是由年輕的快速旋轉的中子星產生的，而且相關的理論很符合觀測結果。如果真的是這樣的，那麼我們尋找量子引力理論又陷入了迷霧之中。但是，也許那些神秘的信號是一個遙遠的外星文明發來的，也許他們能告訴我們量子引力理論是何種樣子。

本文源自大科技*科學之謎2016年第5期文章

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