每个黑洞的结局都是时空反转、万物无法进入的白洞？

众所周知，黑洞是一种吞噬一切并允许物质进出的“怪物”。宇宙中有没有一个天体与黑洞的性质完全相反，只能流出却不能进入？一些天文学家认为，这样的“白洞”不仅存在，它们也是黑洞的未来——黑洞中的时空会在某个时候反弹并变成白洞。如果这一假设能够得到证实，这不仅是人类第一次直接观察到量子引力的影响，而且有可能找到宇宙终极问题的答案。

永远不要相信教科书，即使它们是由伟大的科学家写的。1972年，诺贝尔物理学家史蒂芬·温伯格在其著作《引力与宇宙学》中说，黑洞的存在是“非常假设的”。他写道，“在宇宙中任何已知物体的引力场中都没有黑洞。”然而，他完全错了。几十年前，射电天文学家探测到物质落入黑洞时的信号，但没有意识到这一点。目前，我们有很多证据表明宇宙充满了黑洞。

现在，这个故事可能会在白洞里重演。白洞实际上是一个性质完全相反的反向黑洞。在另一本著名的教科书中，伟大的相对论者鲍勃·沃尔德写道，“没有理由相信宇宙的任何区域都对应于一个白洞”——这仍然是目前的主流观点。然而，世界各地的几个研究小组，包括我在法国马赛的团队，最近开始研究量子力学协助形成白洞的可能性。仰望星空，宇宙也可能布满白色的空洞。

时空反弹

白洞被怀疑存在的原因是它能揭示一个未解之谜:黑洞中心发生了什么。我们观察到大量物质在黑洞边缘盘旋，然后落入黑洞。所有这些下落的物质穿过黑洞的表面(我们称之为“事件视界”，它标志着无法返回的临界点)，并垂直地落向黑洞的中心。后来发生了什么？我们对此一无所知。

爱因斯坦的广义相对论是现代物理学中描述重力的最佳理论，它预测黑洞中下落的物质最终会集中在密度接近无穷大的中心点，我们称之为“奇点”。这相当于现实的终结。在这一点上，时间本身将停止，一切将消失于虚无之中。然而，这种预测并不可靠，因为爱因斯坦的理论没有涵盖黑洞的中心。在这里，引力变得极其强大，量子效应不可忽视。为了理解发生了什么，我们需要引入量子引力理论。

量子理论经常被用来解决这样的问题。20世纪初，经典物理理论预测，围绕原子核运动的电子能量将以螺旋形式不断下降。然而，这在现实世界中并没有发生。量子理论解释了为什么:能量的离散性阻止了这一过程。一个电子的能量只能改变一定的量，并且它有一个有限的最低能级。

同样，量子效应也能阻止黑洞中心的无限密度，这是由空间和时间本身的离散性决定的。这种离散性是由量子引力理论预测的，比如我研究的环量子引力(LQG)。在这个理论中，没有密度接近无穷大的无穷小点。空间由独立的单位(量子)组成，这些单位很小，但大小有限。落入黑洞的物质可以被挤压成一种叫做普朗克星的超致密状态。但是然后呢？之后，它们会反弹回来，就像普通物质的下落结束一样。

然而，它不能在黑洞中反弹:黑洞中的物质只能向下运动，这是神奇的:量子引力使整个黑洞中的几何时空反弹。换句话说，物质继续通过黑洞中心进入一个全新的独立时空区域。在那里，不仅物质而且整个时间和空间都在反弹——这就是我们所说的白洞。

球反弹时的轨迹看起来像是在向后倒。类似地，一个白洞就像一部电影，记录了一个相反的黑洞。从外面看，白洞和黑洞没有什么不同:它和黑洞质量一样，所以物体会被它吸引并围绕它旋转。然而，黑洞被地平线所包围，物质可以通过它进入但不能逃脱。白洞被另一种地平线所包围，可以穿过地平线逃脱，但不能进入。

从里到外

广义相对论从理论上预测了白洞的可能性。白洞是广义相对论方程的精确解。但是长期以来，白洞一直被认为是数学的产物，并不代表任何真实的东西。就像过去的黑洞一样，很难看到它是如何被创造出来的。

然而，早在20世纪30年代，爱尔兰物理学家约翰·莱顿·辛格(John Lighton Synge)就发现，如果广义相对论方程的解稍加调整，黑洞内部的几何结构可能会继续演化成白洞。量子力学允许这样的调整。

那么，白洞在哪里？它会远离人们吗？它是由虫洞连接的，还是在另一个宇宙中？不，我们不需要这些奇怪的猜测。将来，黑洞所在的地方会出现白洞。根据爱因斯坦的理论，空间和时间的特殊弹性，“中心的另一边”很可能是未来的黑洞。很难想象，但结果很简单:在生命的初始阶段，黑洞是“黑”的，物质落入其中；但是在第二阶段，在量子跃迁之后，它会变成“白色”，物质会被反弹回来。

要做到这一点，必须有一个时刻，地平线从黑洞地平线变成白洞地平线。在这里，正是量子理论使这一切成为可能，这要归功于一个众所周知的现象——量子隧道效应。这是对标准经典物理方程的暂时违反。即使在人们不期望强量子现象的地方，这种低概率的情况也可能发生。例如，量子隧道是核放射的原因。根据经典力学，被困在原子核中的粒子无法逃脱，但量子理论允许它穿过*它的屏障，从而辐射出原子核。

来源:萨姆·齐沃斯

隧道挖掘需要时间。几千年来，放射性物质一直保持准稳定状态。同样，黑洞有很长的寿命。根据经典理论，黑洞将是永恒的。但是没有什么是永恒的。斯蒂芬·霍金证明了在量子理论下黑洞会慢慢蒸发和收缩。当黑洞收缩时，它变成白洞的可能性增加。在某个时候，变化会发生。同样，重要的是空间和时间本身的几何形状。它并没有按照经典广义相对论的方程式进化，而是突然从黑洞的视界变成了白洞。

但是有一件令人困惑的事情。我们看到的黑洞已经有几百万年的历史了，所以一个大的黑洞需要很长时间才能隧穿成一个白洞。然而，落入黑洞的物质会在几秒钟内迅速到达中心。它将以同样的速度再次反弹。如果形成白洞需要很长时间，物质怎么会这么快就离开白洞呢？

答案令人着迷。在广义相对论中，时间是非常灵活的。我们知道在海平面上，时间过得比在山上慢。(前者离地球中心更近)当接近一颗大质量恒星或黑洞时，时间变慢得更多。这解决了一个难题:黑洞(或白洞)内部的短时间对应于洞外的长时间。从外面看，这个洞的内部进化就像是一个弹跳，但速度非常慢。宇宙中观察到的黑洞(白洞)可能只是一些坍塌并反弹回来的物体。我们从外面看到他们夸张的慢动作。

这个想法的另一个优点是它解决了著名的黑洞信息悖论——我们希望信息永远不会在自然界中完全消失，但是如果时间在黑洞中结束，信息将会消失。解决方法很简单:如果有任何东西最终反弹回来，丢失的信息将被恢复。

准确地说，信息悖论比这更微妙。这源于一个普遍的观点，即视界限制了黑洞内部可能存在的不同构型的数量。如果可用的配置太少，下落材料的特性将丢失，信息也将丢失。

但我确信这种观点是错误的。它混淆了控制黑洞外部行为的可与外部区分的组态数量，而可与内部区分的组态数量要大得多，并且这些组态甚至在视界收缩时也会增加。黑洞的内部可能非常大，即使它的视界非常小。这就像一个瓶子，瓶颈很小，但是瓶子的体积可以很大。这样的黑洞可以包含大量的信息，这些信息随后会被黑洞释放出来。

所有这些都为黑洞的生命进化提供了一个吸引人的想法:黑洞内部没有奇点，也没有时空终结的地方。从外部来看，黑洞不是永恒的。相反，在某个时刻，黑洞会变成一个白洞，落入其中的东西会逃逸。

看到那个白色的洞了吗？

理论上，这个想法很好。这是否意味着宇宙真的充满了白洞？如果是的话，我们能看看吗？

答案取决于我们还没有完全理解的东西。哈勃体积中的大多数黑洞是由恒星坍缩形成的。这些黑洞太年轻、太大，无法通过隧道进入白洞——大黑洞寿命更长。但是在大爆炸后不久，较小的黑洞可能在早期宇宙的恶劣环境中形成。这些原始黑洞可能已经穿隧进入白洞，或者正在变成白洞。然而，我们不能确定它们的数量，这使得对当前白洞的预测不确定。

另一个不确定的因素是黑洞的生命。人们已经引入圆量子引力理论来进行详细的计算，但是这些计算依赖于近似，并不是决定性的。尽管如此，在蒸发时间极限下的最大寿命和量子现象发生所需的最小寿命之间，我们仍然有一个相当稳定的范围。这使我们能够得出一些初步结论。

如果黑洞有很长的寿命，只有小的原始黑洞变成了白洞。这意味着宇宙中大多数白洞都非常小。白洞的最小尺寸只有大约1微克，或者说是人类头发的半英寸(大约1.27厘米)。

这种可能性很有趣，因为这种大小的白洞相对稳定，它们可能是天文学家(间接)在宇宙中探测到的神秘暗物质的组成部分之一。大多数其他暗物质理论需要修改现有的物理定律，比如预测一类新的粒子——超对称粒子。然而，由于这些假设的粒子尚未被发现，人们对这些理论提出了质疑。

小黑洞构成暗物质的假设不需要任何新的理论，除了已建立的物理学(即广义相对论和量子理论)，目前的观察结果不能排除这个假设。如果这是正确的，而且我们已经观察到白洞，那么它们就是暗物质！

强烈的信号

或者，黑洞的寿命很短，所以今天最初的黑洞隧道应该和小行星一样大，可能会剧烈爆炸。大部分质量将以辐射的形式释放出来。这将在微波或无线电波段释放高能宇宙射线和强脉冲信号。后者特别吸引人，因为我们最近用射电望远镜探测到了类似的信号:神秘的快速射电爆发。我们可能已经观察到了白洞。

我们无法确认这些信号是否真的来自白洞。毕竟，只有少量的检测结果，脉冲可能有其他来源。然而，我们将在一个大样本中寻找一个特征:平红移。远处年轻的白洞发出的信号波长比近处年老的白洞短。一旦收集到足够的数据，我们就可以在高能宇宙射线或快速无线电脉冲中发现这一现象，我们还将获得白洞存在的证据。

如果最终发现白洞存在的证据，这将使我们对宇宙的理解向前迈进一大步。这代表了人类第一次直接观察到量子重力的影响，从而为理解量子时空这一基础物理学中最大的问题打开了一扇窗。

最后，我有一个推测性的想法。我们的宇宙可能不是在大爆炸中诞生的:它可能是从之前的崩溃阶段反弹回来的。这种可能性遵循圆形量子引力和其他理论框架。宇宙反弹的量子机制类似于从黑洞到白洞的反弹。今天宇宙暗物质中的普朗克白洞可能是在反弹之前形成的。如果是这样的话，时空反弹的几何并不像传统宇宙学认为的那样统一，而是皱巴巴的，因为每个白洞就像一根长刺扎进时空几何。

这个事实可能与时间之箭的神秘有关——为什么时间只向一个方向行进？时间之箭可能不是人们通常认为的那样，而是由宇宙初始状态的“特殊性”(即低熵)引起的。相反，这可能是一种透视现象，它与我们观察者的“特殊”位置有关:我们都在黑洞和白洞之外。

虽然白洞几乎没有被探索过，但它的存在似乎是合理的。到目前为止，我们还没有发现任何白洞，但是在我们发现黑洞之前，我们也经历了很长一段时间的推测。