白洞实际是逆向的黑洞性质与黑洞完全相反

黑洞，一个吞噬一切、让物质有进无回的“巨兽”，已经为众人所熟知。那么在宇宙中，与黑洞性质完全相反、物质只能流出而无法进入的天体是否存在?一些天文学家认为，这样的“白洞”不仅存在，它们还是黑洞的未来——黑洞中的时空将在某个时刻反弹，转变为白洞。如果这个假说能得到证实，这不仅是人类首次直接观测到量子引力作用，还可能为宇宙终极问题找出答案。

永远不要迷信教科书，即使那些书是伟大科学家写的。1972年，诺贝尔物理学家奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)在其著作《引力与宇宙学》(Gravitation and Cosmology)中称，黑洞的存在具有“很强的假想性”。他写道，“宇宙中任何已知物体的引力场中都不存在(黑洞)”。然而，他完全错了。几十年前，射电天文学家就探测到了物质坠入黑洞时发出的信号，却没有意识到这一点。目前，我们有很多证据表明宇宙中充满了黑洞。

现在，这个故事或许在白洞中重演。白洞实际是逆向的黑洞，性质与黑洞完全相反。在另一本著名的教科书中，相对论巨匠鲍勃·沃尔德(Bob Wald)写道，“没有理由相信宇宙的任何区域与某个白洞相对应”——这仍是目前的主流观点。但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助力白洞形成的可能性。仰望星空，宇宙中可能也遍布着白洞。

时空反弹

之所以怀疑白洞可能存在，是因为它能揭示一个未解之谜：黑洞中心发生了什么。我们观测到大量物质盘旋在黑洞边缘，之后坠入黑洞。所有这些坠入的物质穿过黑洞的表面(我们称之为“事件视界”，标志着无法返回的临界点)，垂直落向黑洞中心。之后发生了什么呢?我们对此一无所知。

现代物理学描述引力的最佳理论——爱因斯坦的广义相对论预言，黑洞中下落的物质最终会集中在一个密度趋近于无限的中心点上，我们称之为“奇点”。这对应着现实的终结。在这一点上，时间自身将会停止，一切都消失在虚无之中。但这个预测并不可靠，因为爱因斯坦这一理论的适用范围并不包括黑洞的中心。在这里，引力变得异常强大，量子效应不可被忽视。要理解究竟发生了什么，我们需要引入量子引力理论。

量子理论常用来解决这类问题。在20世纪初，经典物理理论预言绕原子核运动的电子的能量会呈螺旋式无尽下降。然而，现实世界里并没有出现这种情况。量子理论解释了原因：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低能级。

同理，量子效应也可以阻止在黑洞中心处的无限大密度，这是由时空本身的离散性所决定的。这种离散性被量子引力理论所预测，比如我研究的圈量子引力理论(loop quantum gravity，LQG)。在该理论中，不存在密度趋近于无穷大的无限小点。空间由独立的单元(量子)组成，这些单位虽然小但是尺寸有限。坠入黑洞的物质可以被挤压成超致密状态，称为“普朗克星”。但之后呢?之后，它们会像普通物质下落结束时那样：反弹。

但它无法在黑洞中反弹：黑洞内的物质只能向下运动，这就是神奇所在：量子引力让整个黑洞中的几何时空反弹。也就是说，物质继续穿过黑洞的中心点进入一个全新、独立的时空区域。在那里，不仅是物质，整个时空都在反弹——这就是我们所说的白洞。

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