千萬不要相信教科書，即使是那些偉大的科學家寫的教科書。諾貝爾物理學獎得主、美國物理學家史蒂文·溫伯格在1972年出版的巨著《引力與宇宙學》中，稱黑洞是“高度猜測性的”，他寫道“在宇宙中任何已知物體的引力場中都沒有黑洞”。

但他完全錯了。

幾十年來，射電天文學家們其實一直都能探測到物質(zhì)落入黑洞之前發(fā)出的信號，只是他們自己沒有意識到而已。今天，我們有很多證據(jù)表明天空中布滿了黑洞。

白洞可能正在重復著同樣的故事。白洞本質(zhì)上是黑洞的反面。在另一本著名的教科書中，世界領(lǐng)先的相對論理論家、美國物理學家鮑勃·沃爾德寫道：“沒有理由相信宇宙中存在白洞”，而且這個觀點至今仍主宰著天文學界。但是世界各地的幾個研究小組，最近已開始研究量子力學為白洞的形成開辟一條道路的可能性。天空中可能也布滿了白洞。

黑洞的中心到底在發(fā)生什么？

假設(shè)存在白洞，一個顯而易見的好處是，它可以解決一個歷史遺留問題：黑洞的中心到底在發(fā)生什么？我們看到大量物質(zhì)在黑洞周圍盤旋，然后掉進去；所有掉進去的物質(zhì)穿過黑洞的“視界”——即連宇宙中跑得最快的光一旦越過也無法返回的界線——徑直往中心墜落，然后呢？沒有人確切地知道然后。

我們目前對引力最好的描述是愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論預言，落入黑洞的物質(zhì)最終會集中在一個密度無限大的中心點。這個點稱為奇點。奇點是對現(xiàn)實世界的終結(jié)：因為奇點體積為零，萬物在空間上化為烏有；時間本身也停止了。但這個預言是不可靠的，因為要描述黑洞的中心，廣義相對論已經(jīng)力不能及。在這里，引力是如此強大，以至于量子效應(yīng)不再能忽略。為了理解這里發(fā)生的事情，我們需要一個引力的量子理論。

●在圈量子引 力理論中，時 空本身有最 小的單位。

量子理論在解決這類涉及“無限大”或“無限小”的問題上是有經(jīng)驗的。譬如在20世紀初，經(jīng)典物理學曾預言繞原子核運行的電子是不穩(wěn)定的，它們的能量會無限地小下去（因為按經(jīng)典物理學，運動的電荷要發(fā)射電磁波，從而損失能量），最后電子會打著轉(zhuǎn)掉進原子核里。這個預言與實際情況不符。

量子理論則闡明了這種現(xiàn)象為什么沒有發(fā)生：因為原子核外的能量軌道就像田徑跑道一樣，不是連續(xù)的，而是分立，電子只能在這些分立的軌道上運動，而在同一個分立軌道上運動的電子不會發(fā)射電磁波；只有當它從一個分立軌道跳躍到另一個分立軌道（這叫“量子躍遷”），它才發(fā)射（或吸收）光子，損失（或獲得）能量；而且在這些軌道里，有一個最低能量的軌道，電子不可能降得比它還低，從而掉進原子核里面去。

量子效應(yīng)同樣可以阻止黑洞內(nèi)部密度無限大的奇點的形成。在這種情況下，正如圈量子引力理論（一種發(fā)展中的量子引力理論）所預言的，是時空本身的量子化發(fā)揮了作用。在圈量子引力理論中，時空本身也是量子化的，空間和時間都有最小的單位——雖然非常小，但畢竟不是零。所以，黑洞的中心不可能無限小，密度也不會變得無限大。墜落到中心的物質(zhì)被擠壓成超級致密的狀態(tài)，稱為“普朗克星”，但不會比這更致密的了。然后呢？然后，物質(zhì)可以做墜落結(jié)束后通常會發(fā)生的事情：反彈。

黑洞反彈變白洞

反彈，不僅是物質(zhì)在反彈，而且是整個時空結(jié)構(gòu)在反彈。你可以想象黑洞是一只袋子，先是物質(zhì)掉進袋子；反彈意味著袋子整個翻了過來，原先掉進去的東西又全部傾倒出來。

一只向上彈起的球?qū)⒀刂粭l軌跡運動，看起來就像倒著放一只球下落的電影。白洞也像黑洞的電影倒著放。從外面看，它和黑洞沒什么區(qū)別：它和黑洞一樣也有質(zhì)量，所以周圍的物體都被它吸引，并且繞著它旋轉(zhuǎn)。但是在黑洞的視界上，物質(zhì)只能進不能出；而在白洞的視界上，物質(zhì)則只能出不能進。

其實，理論上白洞的存在也是廣義相對論所預言的。它是廣義相對論方程的精確解。但是長期以來，人們一直把它看作數(shù)學游戲，并不代表任何真實的存在，就像過去人們對待黑洞一樣，因為人們很難想象這些稀奇古怪的東西在現(xiàn)實中怎么能形成。

然而，早在1930年代，愛爾蘭物理學家約翰·萊頓·辛格就發(fā)現(xiàn)，只要對廣義相對論方程的解做微小的調(diào)整，就可以讓黑洞變成白洞，而這種調(diào)整恰恰是量子力學所允許的。

那么，白洞在哪里呢？它是否很遠，通過蟲洞與黑洞相連？還是說，它在不同的宇宙？不，我們不需要這類古怪的假設(shè)。其實，它就在黑洞所在的同一個地方，只是它代表黑洞的未來：在黑洞的第一階段，洞是黑的，物質(zhì)落入其中；但在第二階段，黑洞的時空結(jié)構(gòu)發(fā)生反彈，變成了白洞，物質(zhì)從洞里涌出來。

反彈的機制：量子隧道效應(yīng)

但是，這一切是怎么發(fā)生的呢？好端端的黑洞，劇情怎么會發(fā)生逆轉(zhuǎn)呢？這里，又是奇妙的量子效應(yīng)發(fā)揮了作用。

在量子物理學上有一個奇妙的現(xiàn)象，叫“量子隧道效應(yīng)”。打個比方說，有一個球，給它一個能量，讓它翻過前面的一個坡。如果它的能量不夠大，那么滾到半坡就不能再向上走一步了。然后，只好滾下來。它永遠也不可能翻過坡頂。這是經(jīng)典物理學為我們描述的，也是我們在現(xiàn)實中所看到的現(xiàn)象。

但是在量子世界，奇怪的事情卻發(fā)生了：這個球的能量雖然不夠翻過坡頂，但它依然有一定的概率穿過這座坡，在坡的另一邊出現(xiàn)。就好像有條隧道供它投機取巧。

這當然違反了經(jīng)典物理學，但這種現(xiàn)象又是的的確確存在的。例如我們知道，很多原子都有天然的放射性，而這個放射性就是量子隧道效應(yīng)的結(jié)果。根據(jù)經(jīng)典力學，被囚禁在原子核內(nèi)的粒子是無法逃逸出來的，因為強大的核力構(gòu)筑了一個無形的“陷阱”，核內(nèi)的粒子深陷在“陷阱”中。但量子理論卻允許粒子通過“隧道”穿透“陷阱”，從而逃到原子核外。

黑洞變白洞，也是量子隧道效應(yīng)的結(jié)果。但是有一點又是跟平常所見的量子隧道效應(yīng)大不相同的：之前，發(fā)生隧道效應(yīng)的都是實物粒子，但是在黑洞的劇情中，發(fā)生隧道效應(yīng)的是黑洞內(nèi)部的時空結(jié)構(gòu)——時空本身發(fā)生量子隧道效應(yīng)，整個時空像袋子一樣，里子朝外翻了。

反彈是超級慢的動作

但發(fā)生隧道效應(yīng)是需要時間的。宏觀的物體原則上也能發(fā)生隧道效應(yīng)，但概率非常非常小；換句話說，要等非常非常久，才可能看到一個宏觀的球通過隧道效應(yīng)出現(xiàn)在坡的另一邊。

黑洞雖然能通過隧道效應(yīng)變成白洞，同樣也需要我們等很長時間，所以一般的黑洞有很長的壽命。如果按經(jīng)典的黑洞理論，黑洞的存在將是永恒的。但斯蒂芬·霍金早就指出，考慮在黑洞視界附近發(fā)生的量子效應(yīng)，黑洞會緩慢蒸發(fā)而縮小。當它們縮小時，通過隧道效應(yīng)變成白洞的可能性就會增加。

但是，讀到這里你可能困惑了：我們看到的黑洞，年齡動輒數(shù)百萬年，因此一個大黑洞要穿越“隧道”，反彈成白洞，需要很長的時間。這沒錯！但前面不是說，物質(zhì)往黑洞中心落的時候，不會擠壓成體積為零的點，而是落到一定程度就開始反彈嗎？物質(zhì)落入黑洞，到達中心，然后反彈，這可能幾秒鐘就夠了。這兩個時間怎么對不上號呢？

答案是迷人的。在廣義相對論中，時間是非常有伸縮性的。引力越強的地方，時間流逝得越慢。比如在地球上，時間在海平面位置比在山上流逝得要慢些，因為海平面更靠近地球中心，引力更強。大質(zhì)量恒星或黑洞的時間流逝得甚至更慢。這就解決了這個難題：在黑洞內(nèi)非常短的時間，對應(yīng)黑洞外可以非常長。

從黑洞外部看，黑洞的物質(zhì)已經(jīng)在反彈，只是反彈以某種極度夸張的慢動作在進行著。就好比一個口袋，事實上翻轉(zhuǎn)已經(jīng)在發(fā)生，只是從外面看來，速度非常之慢，需要非常長的時間，里子才能徹底翻出來。一旦徹底翻出來，黑洞就變成了白洞。

這個“黑洞反彈變成白洞”的方案，不僅讓我們避免了密度無限大的奇點，另外一個好處是，它還解決了著名的黑洞信息悖論。如果黑洞內(nèi)部存在奇點，時間在黑洞內(nèi)結(jié)束，萬物在奇點處化為烏有，掉進黑洞的物質(zhì)所攜帶的信息就丟失了。但量子力學卻告訴我們，任何信息都不會丟失。這就是所謂的“黑洞信息悖論”。而現(xiàn)在，如果任何掉進黑洞的東西，最終都要彈出來，信息自然就不會丟失了。

所有這些都為黑洞一生的演化提供了一個吸引人的劇情。在黑洞內(nèi)部沒有奇點，沒有時空結(jié)束的地方，從外部看黑洞不是永恒的；相反，在某個時間點，黑洞會變成白洞，任何落入其中的東西都會逃逸出來。這個劇情在理論上是很漂亮的。這是否意味著天空中真的布滿了白洞？如果是這樣，我們能看見它們嗎？

白洞在哪里？

對這個問題的回答是與否，取決于宇宙中我們還沒有完全理解的一些事情。我們在天空中看到的大多數(shù)黑洞都是由恒星坍塌形成的。這些黑洞都太年輕，質(zhì)量太大，以至于現(xiàn)在還無法變成白洞——黑洞越大，壽命越長。但是，在大爆炸后不久，在早期的宇宙中形成較小的黑洞是有可能的。這些原始黑洞可能已經(jīng)或正在通過隧道效應(yīng)變成白洞。但是它們的數(shù)量有多少，我們卻無法確切地估計。

另一個不確定性的來源是黑洞的壽命。經(jīng)典的黑洞理論認為黑洞是永恒的。但霍金考慮了在黑洞視界附近發(fā)生的量子效應(yīng)（正反粒子的產(chǎn)生及湮滅）之后，認為黑洞會通過霍金輻射蒸發(fā)，這就讓黑洞有了一個壽命?，F(xiàn)在，黑洞又可以通過“量子隧道效應(yīng)”變成白洞，這又給了黑洞一個壽命。這樣一來，黑洞的壽命就不確定了。

如果黑洞的壽命很長，只有小的原始黑洞已經(jīng)或正在變成白洞。這意味著目前天空中的大多數(shù)白洞都應(yīng)該是最小尺寸的。最小的白洞大小是普朗克尺寸，即大約1微克，相當于一根1厘米長的頭發(fā)絲的重量。

這是一個有趣的可能性，因為這樣大小的白洞可以相對穩(wěn)定，它們可能是天文學家在天空中（間接）探測到的神秘暗物質(zhì)的組成部分。當前，大多數(shù)關(guān)于暗物質(zhì)的其他假設(shè)都要求修改已有的物理定律。例如，一些新理論預言存在一種被稱為“超對稱粒子”的新粒子，它們是暗物質(zhì)粒子的候選者，但實驗中未能探測到這些粒子，所以這些理論是有問題的。

但如果假設(shè)暗物質(zhì)是由原初小黑洞（它們或者已經(jīng)，或者正在變成白洞）組成的，這就不需要在已建立的物理學大廈上添加任何東西，而且它們也符合物理學家所要求于暗物質(zhì)的那些奇怪性質(zhì)。如果這是正確的，那么我們事實上已經(jīng)觀察到了白洞：它們就是暗物質(zhì)！

另一種可能是，如果黑洞的壽命短，那么今天正在發(fā)生隧道效應(yīng)的原始黑洞應(yīng)該具有小行星的質(zhì)量，并且可能會劇烈爆炸，將其大部分質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛洹＿@類事件應(yīng)該會發(fā)射能量極高的宇宙射線和短促而強烈的無線電波信號。后者特別令人感興趣，因為類似的信號已經(jīng)被探測到：由射電望遠鏡探測到的神秘的快速無線電爆發(fā)即是。在這種可能中，同樣我們也許已經(jīng)看到了白洞。

如果找到天空中白洞存在的證據(jù)，將讓我們對宇宙的理解又邁出了一大步。它們可以代表量子引力在宇宙中發(fā)揮作用的首個直接觀測證據(jù)，并為理解物理學中的最大問題——時空量子化問題——打開了一扇窗口。

最后，一個非常合理的猜測是，我們的宇宙可能不是在大爆炸中誕生的，而是從先前的坍縮階段反彈出來的。這種可能性是圈量子引力和其他量子引力理論所允許的。宇宙反彈的量子機制類似于黑洞變白洞的反彈。