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每个黑洞都以白洞结束,时空颠倒,万物无法进入?资讯科技新闻

    如果我们能观察到一个正在变成白洞的黑洞,这将是我们第一次看到量子引力。资料来源:欧空局/V.贝克曼资料来源(NASA-GSFC):众所周知,全球科学美国黑洞,一种吞噬一切并允许物质进入和返回的“巨兽”。那么,宇宙中是否存在完全与黑洞性质相反的物体,而物质只能流出而不能进入?一些天文学家认为,这种“白洞”不仅存在,而且是黑洞的未来,在其中时间和空间将反弹,并在某一点变成白洞。如果这个假设能够得到证实,这不仅是人类第一次直接观测到量子引力,而且有可能找到宇宙最终问题的答案。埃克斯马赛大学的理论物理学家卡罗·罗维利翻译了甘利并修改了吴飞。不要相信教科书,即使它们是由伟大的科学家写的。1972年,诺贝尔奖得主物理学家史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)在《引力与宇宙学》(Gravitation and Cosmology)一书中说,黑洞的存在是“非常虚构的”。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,无线电天文学家已经探测到物质落入黑洞的信号,但是还没有意识到这一点。目前,我们有很多证据表明宇宙中充满了黑洞。现在,这个故事可能在白东重复。白洞实际上是反向黑洞,它们的性质与黑洞完全相反。在另一本著名的教科书中,伟大的相对论大师鲍勃·沃尔德写道:“没有理由相信宇宙的任何区域都对应着一个白洞”——这仍然是主流的观点。但是世界各地的几个研究小组,包括我在法国马赛的团队,最近已经开始研究量子力学协助形成白洞的可能性。仰望星空,宇宙也可能布满白洞。人们之所以怀疑白洞的存在,是因为它们揭示了一个未解之谜:在黑洞的中心会发生什么。我们观察到大量的物质在黑洞边缘盘旋,然后落入黑洞。所有下降的物质都穿过黑洞的表面(我们称之为事件视界),标志着无法返回的临界点,并且垂直地落到黑洞的中心。之后发生了什么?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引力的最好理论,它预言了黑洞中坠落的物质最终将集中在具有无限密度的中心点上,我们称之为“奇点”。这相当于现实的终结。此时,时间本身将停止,一切将消失在虚无之中。但是这个预测是不可靠的,因为爱因斯坦的理论没有覆盖黑洞的中心。这里,引力变得如此强大,以至于量子效应不能被忽略。为了理解发生了什么,我们需要引入量子引力理论。量子理论常被用来解决这类问题。在20世纪初,经典物理学预言绕着原子核运动的电子的能量会无休止地螺旋下降。然而,现实世界并非如此。量子理论解释了为什么:能量的离散性阻止了这一过程。电子的能量只能以特定的量变化,并且它有一个有限的最小电平。同样,量子效应也可以防止黑洞中心的无限密度,而这是由时空本身的离散性决定的。这种离散性是通过量子重力理论来预测的,比如我研究的环形量子重力(LQG)。在这个理论中,没有接近无限小的密度点。空间由独立的单位(量子)组成,这些单位很小但尺寸有限。落入黑洞的物质可以被压缩成超致密状态,称为普朗克星。但是呢?在那之后,它们将反弹,就像普通物质在跌落结束时反弹一样。但是它在黑洞中不能反弹:黑洞中的物质只能向下运动,这就是魔力:量子引力使几何时空在整个黑洞中反弹。也就是说,物质继续通过黑洞中心进入一个全新的、独立的时空区域。不仅如此,整个时空都在反弹——这就是我们所说的白洞。从黑洞过渡到白洞的艺术图片。资料来源:F.维多托/巴斯克国家大学(University of Basque Country)的轨迹,当球弹跳时,看起来球掉落的场景正好相反。类似地,白洞就像反过来记录黑洞的胶卷。在外面,白洞和黑洞没有什么不同:它们和黑洞的质量相同,所以物体被它们吸引并围绕它们旋转。然而,黑洞被地平线包围,物质可以通过地平线进入但不能逃逸;而白洞被另一个地平线包围,它可以通过地平线逃逸,但不能进入。从内到外,广义相对论从理论上预言了白洞存在的可能性。白洞是广义相对论方程的精确解。但是,长期以来,白洞一直被视为数学产品,并不代表任何真实的东西。就像过去的黑洞一样,很难看出它们是如何形成的。然而,早在20世纪30年代,爱尔兰物理学家约翰·莱顿·辛格就发现,广义相对论方程的解可以使黑洞的几何形状继续演化为白洞,只需稍作调整。量子力学允许这样的调整。白洞在哪里?离人远吗?它是由虫洞连接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。根据爱因斯坦理论所阐述的空间和时间的特殊弹性,“中心的另一边”很可能是黑洞的未来。很难想象,但结果很简单:在生命的早期阶段,黑洞是“黑色”的,物质落入其中;但在第二阶段,在量子跃迁之后,它变成“白色”,物质反弹。要做到这一点,必须有一个时刻,当视界从黑洞视界变为白洞视界。这里,正是量子理论使得这一切成为可能,这要归功于一个众所周知的现象,量子隧穿。这是对标准经典物理方程的短期违反。即使在不期望出现强量子现象的地方,也可能出现这种低概率的情况。例如,量子隧穿是核辐射的原因。根据经典力学,被困在原子核中的粒子无法逃逸,但量子理论允许它穿过限制它的势垒,并从原子核中放射出来。照片来源:山姆·奇弗斯隧道工程需要时间。几千年来,放射性物质一直保持准稳定。同样,黑洞也有很长的寿命。根据经典理论,黑洞是永恒的。但是没有什么是永恒的。斯蒂芬·霍金在量子理论下证明了黑洞的蒸发和收缩是缓慢的。当黑洞缩小时,它变成白洞的可能性就增加了。在某个时候,变化将会发生。再次,重要的是时空本身的几何结构。它不是根据经典的广义相对论方程演化的,而是突然从黑洞的视界隧道到白洞。但是有一个令人困惑的地方。我们看到有数百万年历史的黑洞,所以一个大黑洞需要很长时间才能隧道进入白洞。但是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,那么物质怎么能发现自己这么快就离开了呢?答案很吸引人。在广义相对论中,时间是非常灵活的。我们知道在海平面上,时间流逝得比在山上慢。(前者更靠近地球中心)距离大质量恒星或黑洞越近,时间越慢。这就解决了这个问题:黑洞(或白洞)内部的短时间对应于黑洞外部的长时间。从外部看,洞的内部演化就像是弹跳,但速度非常慢。在宇宙中观察到的黑洞(白洞)可能只是坍塌和弹回的物体,我们可以从外部以夸张的慢动作看到它们。这个场景的另一个优点是,它解决了众所周知的黑洞信息悖论:我们期望信息在自然界永远不会完全消失,但是如果时间以黑洞结束,它将消失。解决方案很简单:如果有任何东西最终反弹,那么丢失的信息将被恢复。准确地说,信息悖论比这更微妙。它起源于一种普遍的观点,即视界限制了黑洞内部可能存在的不同构型的数量。如果可供选择的构型太少,则坠落物的特征将丢失,信息将丢失。但我肯定那是错的。它混淆了可以与外界区分的配置的数量,这些配置控制了黑洞的外部行为,而可以与内部区分的配置的数量要大得多,并且这些配置即使在地平线收缩时也会增加。黑洞的内部可以是大的,即使它的地平线很小。就像一个瓶子。瓶颈很小,但是瓶子的体积很大。这样的黑洞可以包含很多信息,这些信息随后由黑洞发布。所有这些都为黑洞的演化提供了一个吸引人的想法:黑洞内部没有奇点,没有时空结束的地方。从外部看,黑洞不是永久性的。相反,在某个时候,一个黑洞会变成一个白洞,落入其中的东西会逃逸。看到白洞了吗?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,我们可以看看吗?答案取决于我们不完全理解的东西。在可观测的宇宙中,大多数黑洞是由恒星坍塌形成的。这些黑洞太年轻,太大,不能被隧道穿入白洞——大黑洞的寿命更长。但是,在大爆炸后不久,在早期宇宙中,较小的黑洞可能在恶劣的条件下形成。这些原始黑洞可能已经隧穿成白洞,或者正在变成白洞。但是我们对它们的数量不确定,这使得目前对白洞的预测不确定。另一个不确定因素是黑洞的寿命。循环量子引力理论已经被引入用于详细的计算,但是这些计算依赖于近似,并且不是结论性的。然而,在蒸发时间限制下的最长寿命与量子现象发生所需的最短寿命之间,我们仍然有相当牢固的范围。这使得我们能够得出一些初步结论。如果黑洞的寿命很长,那么只有小的原始黑洞变成了白洞。这意味着当今宇宙中的大多数白洞都很小。白洞的最小尺寸约为1微克,或半英寸(约1.27厘米)的人类头发。这种可能性很有趣,因为这种大小的白洞相对稳定,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,例如预测一类新的粒子,超对称粒子。但是由于这些假设的粒子没有被探测到,人们质疑这些理论。小黑洞构成暗物质的假设不需要任何新理论,除了已建立的物理学(即广义相对论和量子理论),目前的观测也不能排除这个假设。如果这是真的,而且我们已经观察到了白洞,那么它们是暗物质!强信号或黑洞寿命较短,今天隧穿的原始黑洞应该具有与小行星相同的质量,并可能剧烈爆炸,其中大部分将以辐射的形式发射。这将释放出高能宇宙射线和微波或无线电波段的强脉冲。后者特别吸引人,因为最近我们用射电望远镜探测到了类似的信号:神秘的快速射电风暴。我们可能已经观察到了白洞。我们不能确认这些信号是否真的来自白洞。毕竟,只有很少的检测和脉冲可能来自其他来源。但是,我们将在大样本中寻找一个特性:平红移。来自较远和较年轻的白洞的信号的波长比来自较近和较老的白洞的信号的波长短。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探测到这种现象,并且我们还将得到存在白洞的证据。如果我们最终找到白洞存在的证据,它将使我们对宇宙的理解向前迈出一大步。这代表了量子引力的第一次直接观测,从而打开了理解量子时空的窗口,量子时空是基础物理中最大的问题。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:它可能从以前的崩溃阶段反弹。这种可能性遵循了环量子引力和其他理论框架。宇宙反弹的量子机制与黑洞到白洞的量子机制相似。普朗克白洞在当今宇宙的暗物质中可能是在它反弹之前形成的。如果是这样,时空反弹的几何形状就不像传统宇宙学所认为的那样均匀,而是起皱的,因为每个白洞就像一根刺入时空几何的长刺。这个事实可能与时间之箭的奥秘有关——为什么时间只朝一个方向走?时间箭头可能不是宇宙初始状态的“特殊性”(即低熵)的结果,这是人们普遍认为的。相反,这可能是与观察者的“特殊”位置相关的一种透视现象:我们都在黑洞和白洞之外。虽然白洞几乎没被探测到,但是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,但是在发现黑洞之前,我们也经历了很长一段时间的猜测。链接:https://www.newscientist.com/./mg24032080-100-if-you-.-black-holes-is-.-.-.-will-.-you-./

欢迎阅读本文章: 余汉平

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