大科技杂志社 / 待分类 / 黑洞的中心到底在发生什么?能否找到黑洞...

0 0

   

黑洞的中心到底在发生什么?能否找到黑洞的反面“白洞”?

原创
2019-11-28  大科技杂...

    千万不要相信教科书,即使是那些伟大的科学家写的教科书。诺贝尔物理学奖得主、美国物理学家史蒂文·温伯格在1972年出版的巨著《引力与宇宙学》中,称黑洞是“高度猜测性的”,他写道“在宇宙中任何已知物体的引力场中都没有黑洞”。

    但他完全错了。

    几十年来,射电天文学家们其实一直都能探测到物质落入黑洞之前发出的信号,只是他们自己没有意识到而已。今天,我们有很多证据表明天空中布满了黑洞。

    白洞可能正在重复着同样的故事。白洞本质上是黑洞的反面。在另一本著名的教科书中,世界领先的相对论理论家、美国物理学家鲍勃·沃尔德写道:“没有理由相信宇宙中存在白洞”,而且这个观点至今仍主宰着天文学界。但是世界各地的几个研究小组,最近已开始研究量子力学为白洞的形成开辟一条道路的可能性。天空中可能也布满了白洞。

    黑洞的中心到底在发生什么?

    假设存在白洞,一个显而易见的好处是,它可以解决一个历史遗留问题:黑洞的中心到底在发生什么?我们看到大量物质在黑洞周围盘旋,然后掉进去;所有掉进去的物质穿过黑洞的“视界”——即连宇宙中跑得最快的光一旦越过也无法返回的界线——径直往中心坠落,然后呢?没有人确切地知道然后。

    我们目前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。这个点称为奇点。奇点是对现实世界的终结:因为奇点体积为零,万物在空间上化为乌有;时间本身也停止了。但这个预言是不可靠的,因为要描述黑洞的中心,广义相对论已经力不能及。在这里,引力是如此强大,以至于量子效应不再能忽略。为了理解这里发生的事情,我们需要一个引力的量子理论。

    在圈量子引 力理论中,时 空本身有最 小的单位。

    量子理论在解决这类涉及“无限大”或“无限小”的问题上是有经验的。譬如在20世纪初,经典物理学曾预言绕原子核运行的电子是不稳定的,它们的能量会无限地小下去(因为按经典物理学,运动的电荷要发射电磁波,从而损失能量),最后电子会打着转掉进原子核里。这个预言与实际情况不符。

    量子理论则阐明了这种现象为什么没有发生:因为原子核外的能量轨道就像田径跑道一样,不是连续的,而是分立,电子只能在这些分立的轨道上运动,而在同一个分立轨道上运动的电子不会发射电磁波;只有当它从一个分立轨道跳跃到另一个分立轨道(这叫“量子跃迁”),它才发射(或吸收)光子,损失(或获得)能量;而且在这些轨道里,有一个最低能量的轨道,电子不可能降得比它还低,从而掉进原子核里面去。

    量子效应同样可以阻止黑洞内部密度无限大的奇点的形成。在这种情况下,正如圈量子引力理论(一种发展中的量子引力理论)所预言的,是时空本身的量子化发挥了作用。在圈量子引力理论中,时空本身也是量子化的,空间和时间都有最小的单位——虽然非常小,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。坠落到中心的物质被挤压成超级致密的状态,称为“普朗克星”,但不会比这更致密的了。然后呢?然后,物质可以做坠落结束后通常会发生的事情:反弹。

    黑洞反弹变白洞

    反弹,不仅是物质在反弹,而且是整个时空结构在反弹。你可以想象黑洞是一只袋子,先是物质掉进袋子;反弹意味着袋子整个翻了过来,原先掉进去的东西又全部倾倒出来。

    一只向上弹起的球将沿着一条轨迹运动,看起来就像倒着放一只球下落的电影。白洞也像黑洞的电影倒着放。从外面看,它和黑洞没什么区别:它和黑洞一样也有质量,所以周围的物体都被它吸引,并且绕着它旋转。但是在黑洞的视界上,物质只能进不能出;而在白洞的视界上,物质则只能出不能进。

    其实,理论上白洞的存在也是广义相对论所预言的。它是广义相对论方程的精确解。但是长期以来,人们一直把它看作数学游戏,并不代表任何真实的存在,就像过去人们对待黑洞一样,因为人们很难想象这些稀奇古怪的东西在现实中怎么能形成。

    然而,早在1930年代,爱尔兰物理学家约翰·莱顿·辛格就发现,只要对广义相对论方程的解做微小的调整,就可以让黑洞变成白洞,而这种调整恰恰是量子力学所允许的。

    那么,白洞在哪里呢?它是否很远,通过虫洞与黑洞相连?还是说,它在不同的宇宙?不,我们不需要这类古怪的假设。其实,它就在黑洞所在的同一个地方,只是它代表黑洞的未来:在黑洞的第一阶段,洞是黑的,物质落入其中;但在第二阶段,黑洞的时空结构发生反弹,变成了白洞,物质从洞里涌出来。

    反弹的机制:量子隧道效应

    但是,这一切是怎么发生的呢?好端端的黑洞,剧情怎么会发生逆转呢?这里,又是奇妙的量子效应发挥了作用。

    在量子物理学上有一个奇妙的现象,叫“量子隧道效应”。打个比方说,有一个球,给它一个能量,让它翻过前面的一个坡。如果它的能量不够大,那么滚到半坡就不能再向上走一步了。然后,只好滚下来。它永远也不可能翻过坡顶。这是经典物理学为我们描述的,也是我们在现实中所看到的现象。

    但是在量子世界,奇怪的事情却发生了:这个球的能量虽然不够翻过坡顶,但它依然有一定的概率穿过这座坡,在坡的另一边出现。就好像有条隧道供它投机取巧。

    这当然违反了经典物理学,但这种现象又是的的确确存在的。例如我们知道,很多原子都有天然的放射性,而这个放射性就是量子隧道效应的结果。根据经典力学,被囚禁在原子核内的粒子是无法逃逸出来的,因为强大的核力构筑了一个无形的“陷阱”,核内的粒子深陷在“陷阱”中。但量子理论却允许粒子通过“隧道”穿透“陷阱”,从而逃到原子核外。

    黑洞变白洞,也是量子隧道效应的结果。但是有一点又是跟平常所见的量子隧道效应大不相同的:之前,发生隧道效应的都是实物粒子,但是在黑洞的剧情中,发生隧道效应的是黑洞内部的时空结构——时空本身发生量子隧道效应,整个时空像袋子一样,里子朝外翻了。

    反弹是超级慢的动作

    但发生隧道效应是需要时间的。宏观的物体原则上也能发生隧道效应,但概率非常非常小;换句话说,要等非常非常久,才可能看到一个宏观的球通过隧道效应出现在坡的另一边。

    黑洞虽然能通过隧道效应变成白洞,同样也需要我们等很长时间,所以一般的黑洞有很长的寿命。如果按经典的黑洞理论,黑洞的存在将是永恒的。但斯蒂芬·霍金早就指出,考虑在黑洞视界附近发生的量子效应,黑洞会缓慢蒸发而缩小。当它们缩小时,通过隧道效应变成白洞的可能性就会增加。

    但是,读到这里你可能困惑了:我们看到的黑洞,年龄动辄数百万年,因此一个大黑洞要穿越“隧道”,反弹成白洞,需要很长的时间。这没错!但前面不是说,物质往黑洞中心落的时候,不会挤压成体积为零的点,而是落到一定程度就开始反弹吗?物质落入黑洞,到达中心,然后反弹,这可能几秒钟就够了。这两个时间怎么对不上号呢?

    答案是迷人的。在广义相对论中,时间是非常有伸缩性的。引力越强的地方,时间流逝得越慢。比如在地球上,时间在海平面位置比在山上流逝得要慢些,因为海平面更靠近地球中心,引力更强。大质量恒星或黑洞的时间流逝得甚至更慢。这就解决了这个难题:在黑洞内非常短的时间,对应黑洞外可以非常长。

    从黑洞外部看,黑洞的物质已经在反弹,只是反弹以某种极度夸张的慢动作在进行着。就好比一个口袋,事实上翻转已经在发生,只是从外面看来,速度非常之慢,需要非常长的时间,里子才能彻底翻出来。一旦彻底翻出来,黑洞就变成了白洞。

    这个“黑洞反弹变成白洞”的方案,不仅让我们避免了密度无限大的奇点,另外一个好处是,它还解决了著名的黑洞信息悖论。如果黑洞内部存在奇点,时间在黑洞内结束,万物在奇点处化为乌有,掉进黑洞的物质所携带的信息就丢失了。但量子力学却告诉我们,任何信息都不会丢失。这就是所谓的“黑洞信息悖论”。而现在,如果任何掉进黑洞的东西,最终都要弹出来,信息自然就不会丢失了。

    所有这些都为黑洞一生的演化提供了一个吸引人的剧情。在黑洞内部没有奇点,没有时空结束的地方,从外部看黑洞不是永恒的;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出来。这个剧情在理论上是很漂亮的。这是否意味着天空中真的布满了白洞?如果是这样,我们能看见它们吗?

    白洞在哪里?

    对这个问题的回答是与否,取决于宇宙中我们还没有完全理解的一些事情。我们在天空中看到的大多数黑洞都是由恒星坍塌形成的。这些黑洞都太年轻,质量太大,以至于现在还无法变成白洞——黑洞越大,寿命越长。但是,在大爆炸后不久,在早期的宇宙中形成较小的黑洞是有可能的。这些原始黑洞可能已经或正在通过隧道效应变成白洞。但是它们的数量有多少,我们却无法确切地估计。

    另一个不确定性的来源是黑洞的寿命。经典的黑洞理论认为黑洞是永恒的。但霍金考虑了在黑洞视界附近发生的量子效应(正反粒子的产生及湮灭)之后,认为黑洞会通过霍金辐射蒸发,这就让黑洞有了一个寿命。现在,黑洞又可以通过“量子隧道效应”变成白洞,这又给了黑洞一个寿命。这样一来,黑洞的寿命就不确定了。

    如果黑洞的寿命很长,只有小的原始黑洞已经或正在变成白洞。这意味着目前天空中的大多数白洞都应该是最小尺寸的。最小的白洞大小是普朗克尺寸,即大约1微克,相当于一根1厘米长的头发丝的重量。

    这是一个有趣的可能性,因为这样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组成部分。当前,大多数关于暗物质的其他假设都要求修改已有的物理定律。例如,一些新理论预言存在一种被称为“超对称粒子”的新粒子,它们是暗物质粒子的候选者,但实验中未能探测到这些粒子,所以这些理论是有问题的。

    但如果假设暗物质是由原初小黑洞(它们或者已经,或者正在变成白洞)组成的,这就不需要在已建立的物理学大厦上添加任何东西,而且它们也符合物理学家所要求于暗物质的那些奇怪性质。如果这是正确的,那么我们事实上已经观察到了白洞:它们就是暗物质!

    另一种可能是,如果黑洞的寿命短,那么今天正在发生隧道效应的原始黑洞应该具有小行星的质量,并且可能会剧烈爆炸,将其大部分质量转变为辐射。这类事件应该会发射能量极高的宇宙射线和短促而强烈的无线电波信号。后者特别令人感兴趣,因为类似的信号已经被探测到:由射电望远镜探测到的神秘的快速无线电爆发即是。在这种可能中,同样我们也许已经看到了白洞。

    如果找到天空中白洞存在的证据,将让我们对宇宙的理解又迈出了一大步。它们可以代表量子引力在宇宙中发挥作用的首个直接观测证据,并为理解物理学中的最大问题——时空量子化问题——打开了一扇窗口。

    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,而是从先前的坍缩阶段反弹出来的。这种可能性是圈量子引力和其他量子引力理论所允许的。宇宙反弹的量子机制类似于黑洞变白洞的反弹。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多