用圈量子引力理论追踪黑洞演化

图一：艺术家绘制黑洞向白洞演化的转变过程。利用圈量子引力理论，Ashtekar, Olmedo和Singh预测黑洞会演变为白洞。黑洞是非凡的实体。一方面，它们已经变成了熟悉的天体物理对象，被大量的，多方面的观测过：我们有证据证明恒星质量的黑洞与伴星一起旋转，星系中心的巨大黑洞将物质盘旋拉入，以及两个黑洞融合时会喷涌引力波。所有这些都被爱因斯坦百年前的广义相对论完美地解释。但是，在另一方面，黑洞依然非常神秘。我们看到物质落入其中，但我们依然不知道，当物质落入黑洞中心时，物质会发生什么变化。他们证明了圈量子引力理论——提供对引力的量子力学描述的一个候选理论——预测时空将继续穿过黑洞中心并进入一个新的区域，这个区域存在于未来，并具有白洞的内部结构。白洞是黑洞在时间上相反的图像：其中，物质只能向外移动。“穿越中心”到未来区域的通道是违反直觉的；这是可能的，因为广义相对论允许黑洞中的时空几何结构产生强烈扭曲。这个结果支持了很多研究团队正在进行的研究假设：所有的黑洞在未来可能都会转化为一个真实的白洞，坠落其中的物质都会被弹出来。但是，现有的理论都不能完全的展现这一反弹的发生方式。那（如果）圈量子引力理论做到了这一点，就表明这理论已经成熟，可以解决现实问题了。我们之所以对黑洞物理方面不清楚的原因是量子现象控制了这些物体的中心和未来。传统的广义相对论预言这些黑洞将永远存在而且其中心是“奇点”，时空将终结于此。这些预言并不真实，因为它们忽视了量子效应。要解决这些效应，我们需要关于引力的量子理论。我们目前并没有一个能广泛达成共识的理论，但我们已经有了候选理论。其中一些已经到了能对黑洞量子行为进行实际运算的地步。圈量子引力理论就是这样的一个理论，它有着清晰概念的结构和定义明确的数学公式，该公式基于空间结构是随时间演化的自旋网络。

过去几年里，许多的研究团队已经应用了圈量子引力理论去探索黑洞的演化。基于黑洞白洞转变的预测，这些努力正在构成一个令人信服的图像（图一），可以概括如下。在黑洞中心，时空并不会在奇点终结，而是继续穿过一个短暂的过渡区域，在那里量子效应违背了爱因斯坦方程。从这个区域开始，时空以白洞的内部结构浮现，这是物理学家John Lighton Synge在20世纪30年代提出的一种可能性。随着黑洞中心的演化，它的外表面（视界）会因为释放辐射而缓慢缩小——这种现象是由史蒂芬霍金首次描述，这种收缩会持续到黑洞视界到达普朗克尺度(Planck size)（量子引力的特征尺度）或更早，在这一程度上，量子跃迁（“量子隧穿”）发生在黑洞视界中并把它转变为白洞视界（图二）。由于异常扭曲的相对论几何，白洞的内部在中心产生并连接着白洞视界，完成白洞的转变。

图二：图像表现了通过量子跃迁将黑洞转化为白洞的时空演化。纵轴代表的是时间，横轴则代表着与中心的距离。不严谨的说，整个现象像模拟一个球的弹跳。一个球落到地上，反弹，然后上升。在反弹后向上的运动是球下落运动时间上的反转。相似的，黑洞“反弹”并出现它的时间反转的版本——白洞。坍缩的物体并不会在中心消失，它会通过白洞反弹。落入黑洞中的能量和信息也同样会从白洞中出现。将白洞与黑洞分隔开的最大压缩结构被称为“普朗克星”（Planck star）。由于相对论允许巨大的时间扭曲，在黑洞中测量这一过程的时间会很短（微秒），但从外测量就很长了（数十亿年）。黑洞可能是以极慢速度运动的“弹跳”恒星。这是一个引人注目的前景，因为它移除了黑洞中心的奇点，而且解决了能量和信息消失在黑洞中的驳论。直到现在，这张由黑洞到白洞的图片依然不是由一个实际的量子引力理论推出的，而是对爱因斯坦的广义相对论方程做了特殊的修正并加以推测实现的。Ashtekar, Olmedo和Singh已经展现了这个场景下一个至关重要的要素，即中心变化，它们从一个纯正的量子引力理论（圈量子引力理论）得到了这一理论。这一结果是通过解全圈量子引力方程近似得到的，与先前研究解决大爆炸奇点的方程相似。值得注意的是，Ashtekar-Olmedo-Singh的模型只对黑洞中心的转变进行了处理。为了完善这个前景，还需要对视界上的隧道效应进行计算。在这个方面最初的步伐已经迈出，但这个问题仍有异议。对它的解答将使我们对黑洞量子物理有一个全面理解。用经验观测的结果来支持这个假设并非难以置信。这个模型表明了几个观察到的天体物理现象可能与黑洞到白洞的转化相关。其中有快速射电暴(FRBs)（fast radio bursts）和特定的高能宇宙射线。二者都可以由物质与光子产生，而这些物质与光子都是被束缚在早期宇宙所产生的黑洞中，并在黑洞转化为白洞时释放。然而目前天体物理数据还不足以证明观察到的快速射电暴和宇宙射线的统计特性能证实这个假设。另一个有趣的假设是由黑洞到白洞产生的通道是稳定的，在这种情况下，这些“残余物”可能是暗物质的组成成分。我们才刚刚开始理解黑洞的量子物理，但在这个还具有推测性的领域里，Ashtekar-Olmedo-Singh的结果给了我们一个令人满意的答案：圈量子引力理论预言黑洞的内部会继续转变为一个白洞。在这个项目中的任何进展的重要性都远超对黑洞的理解。在黑洞的中心，是我们当前基于爱因斯坦广义相对论的时空理论都失效了。理解这个领域的物理规律意味着同时也理解了量子空间与量子时间。作者：Carlo Rovelli