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每个黑洞的终局,都是时空反转、万物无法进入的白洞
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每个黑洞的终局,都是时空反转、万物无法进入的白洞
浏览:89 发布日期:2018-12-21

  又或者,黑洞的寿命很短,那么今天隧穿的原初黑洞答该和一颗幼走星质量相等,并且能够会剧烈爆炸,大片面质量将以辐射的形态放出。这将开释高能宇宙射线和微波或无线电波段剧烈的脉冲信号。后者尤其引人入胜,由于近来吾们已经用射电看远镜探测到了相通信号:奥秘的快速射电暴。吾们能够已经不益看测到了白洞。

  隧穿必要时间。放射性物质在几千年里保持着准安详的状态。同样,黑洞的寿命也很长。根据经典理论,黑洞将是永恒的。但异国什么东西是永恒的。史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)表清新量子理论下黑洞会逐渐挥发和缩短。当黑洞缩短时,其变化为白洞的概率便会增补。到了某个时刻,变化便会发生。再次强调的是,主要的是时空本身的几何组织。它不是依照经典广义相对论的方程演化,而是突然从一个黑洞的视界隧穿到白洞的。

  但它无法在黑洞中反弹:黑洞内的物质只能向下行动,这就是奇妙所在:量子引力让整个黑洞中的几何时空反弹。也就是说,物质不息穿过黑洞的中心点进入一个崭新、自力的时空区域。在那里,不光是物质,整个时空都在反弹——这就是吾们所说的白洞。

  实在地说,新闻悖论比这要奇妙一些。它源于一栽普及的不益看点,即视界周围节制了黑洞内部能够存在的差别构型的数目。如果可供选择的构型过少,就会丢失失踪坠入物质的特征,新闻也会丢失。

  答案引人入胜。在广义相对论中,时间是专门变通的。吾们清新,在海平面上,时间流逝比在山上慢。(前者离地球中心更近)挨近一颗大质量恒星或黑洞时,时间会减慢更多。这就解答了这个难题:在黑洞(或白洞)内很短的时间对答着洞外很长的时间。从表面看,洞的内部演化就像一次弹跳,但速度专门缓慢。不益看测宇宙看到的黑洞(白洞)能够只是一些物体坍塌并反弹回来,吾们从外部以夸张的慢行为看到它们。

  从理论上讲,这个设想专门美益。这是否意味着宇宙中真的足够了白洞呢?如果真是如许,吾们能看到它们吗?

  这栽设想还有一个益处,就是它解决了著名的黑洞新闻悖论——吾们憧憬新闻在自然界中永世不会十足湮灭,但如果时间在黑洞中闭幕,新闻便会湮灭。解决方案很浅易:如果有任何东西终极反弹回来,湮灭的新闻就会恢复。

  但有个令人费解的地方。吾们看到的黑洞有数百万年的历史,因此一个大黑洞必要很长时间才会隧穿到一个白洞。但落入黑洞的物质在几秒钟内便会快捷到达中心。它会以同样快的速度再次反弹。若形成一个白洞必要很长时间,物质怎么会发现本身这么快就脱离了这个白洞呢?

  然而,早在20世纪30年代,喜欢尔兰物理学家John Lighton Synge就发现,广义相对论方程的解只要稍作调整,就有能够使黑洞内部的几何形状不息演化成白洞。量子力学批准如许的调整。

  由内向外

  如果终极发现白洞存在的证据,这将使吾们对宇宙的理解提高一大步。这代外着人类第一次直接不益看测到量子引力作用,从而为基础物理学中最大的题目——理解量子时空掀开了一扇窗户。

  时空反弹

  剧烈的信号

  当代物理学描述引力的最佳理论——喜欢因斯坦的广义相对论预言,黑洞中着落的物质终极会荟萃在一个密度趋近于无穷的中心点上,吾们称之为“奇点”。这对答着实际的闭幕。在这一点上,时间自身将会休止,总共都湮灭在虚无之中。但这个展望并不郑重,由于喜欢因斯坦这一理论的适用周围并不包括黑洞的中心。在这边,引力变得变态重大,量子效答不可被无视。要理解原形发生了什么,吾们必要引入量子引力理论。

  广义相对论从理论上预言了白洞存在的能够性。白洞是广义相对论方程的准确解。但永久以来,白洞不息被视为数学产物,而不代外任何实在的东西。就像以前的黑洞相通,由于很寝陋到它是如何产生的。

  另一个不确定因素是黑洞的寿命。人们已经引入圈量子引力理论进走详细计算,但这些计算倚赖于近似,并不具有结论性。尽管如此,在挥发时间节制下的最长寿命和量子形象展现所需的最夭折命之间,吾们照样有一个相等牢固的周围。这使吾们能得出一些初步的结论。

  答案取决于吾们尚未十足理解的东西。可不益看测宇宙中的大无数黑洞是由恒星坍塌形成的。这些黑洞都太甚年轻,体积也太大,不能够已经隧穿到白洞——大的黑洞寿命更长。但大爆炸后不久,更幼的黑洞能够在早期宇宙的凶劣环境中形成。这些原初黑洞能够已经隧穿成了白洞,或者正在变成白洞。但吾们不确定它们的数目,这使得对现在白洞的展望变得不确定。

  那么,白洞在那里呢?它会距人们很迢遥吗?它由虫洞连接,照样在另一个宇宙呢?不,吾们不必要这些奇怪古怪的推想。在异日,白洞会在黑洞所在的地方展现。根据喜欢因斯坦理论阐述的时空的稀奇弹性,“中心的另一面”很能够就在黑洞的异日。这很难想象,但终局却很浅易:在生命的最初阶段,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,它会变成“白色”,物质会被反弹出往。

  现在,这个故事也许在白洞中重演。白洞实际是反向的黑洞,性质与黑洞十足相背。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,“异国理由自夸宇宙的任何区域与某个白洞相对答”——这仍是现在的主流不益看点。但世界各地的几个钻研幼组,包括吾在法国马赛的团队,近来已经最先钻研量子力学助力白洞形成的能够性。抬看星空,宇宙中能够也遍布着白洞。

  量子理论常用来解决这类题目。在20世纪初,经典物理理论预言绕原子核行动的电子的能量会呈螺旋式无尽消极。然而,实际世界里并异国展现这栽情况。量子理论注释了因为:能量的离散性不准了这一过程。电子的能量只能以特定的量变化,并且它有一个有限的最矮能级。

  之以是疑心白洞能够存在,是由于它能展现一个未解之谜:黑洞中心发生了什么。吾们不益看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(吾们称之为“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?吾们对此一无所知。

  来源:微信公多号“环球科学”

  黑洞,一个吞噬总共、让物质有进无回的“巨兽”,已经为多人所熟知。那么在宇宙中,与黑洞性质十足相背、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,如许的“白洞”不光存在,它们照样黑洞的异日——黑洞中的时空将在某个时刻反弹,变化为白洞。如果这个伪说能得到证实,这不光是人类首次直接不益看测到量子引力作用,还能够为宇宙终极题目找出答案。

  幼球弹首时的轨迹看首来,就像球着落的场景在倒放。同理,白洞就像记录黑洞的电影胶片在倒放。从外部看,白洞和黑洞没什么差别:它和黑洞质量相通,以是物体会被它吸引,并围绕其转动。但是,黑洞被视界围困,经过视界的物质能够进入但不克逃逸;而白洞被另一栽视界围困,能够经过视界逃逸,但不克进入。

  同理,量子效答也能够不准在黑洞中心处的无穷大密度,这是由时空本身的离散性所决定的。这栽离散性被量子引力理论所展望,比如吾钻研的圈量子引力理论(loop quantum gravity, LQG)。在该理论中,不存在密度趋近于无穷大的无穷幼点。空间由自力的单元(量子)构成,这些单位固然幼但是尺寸有限。坠入黑洞的物质能够被挤压成超致密状态,称为“普朗克星”。但之后呢?之后,它们会像清淡物质着落终止时那样:反弹。

  永世不要迷信教科书,即使那些书是远大科学家写的。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“很强的伪想性”。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,他十足错了。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,却异国认识到这一点。现在,吾们有许多证据外明宇宙中足够了黑洞。

  如果黑洞的寿命很长,那么只有幼型原初黑洞已经变成白洞。这意味着现在宇宙中的大无数白洞都很幼。白洞的尺寸最幼只有大约1微克,或半英寸(约1.27厘米)人类头发的质量。

  幼型黑洞构成黑物质这栽伪说,除了已经竖立的物理学(即广义相对论和量子理论)外,不再必要任何新的理论,现在的不益看测终局也不克倾轧这栽伪说。如果这是准确的,并且吾们已经不益看察到了白洞,那么它们就是黑物质!

  吾们不克确认这些信号是否真的来自白洞,毕竟只有幼批的探测终局,脉冲也能够有其他来源。但吾们将在重大样本中追求一个特征:扁平的红移。那些由距离迢遥、较为年轻的白洞发出的信号,其波长比距离较近、较老的白洞短。一旦搜集到有余多的数据,吾们便能在高能宇宙射线或快速无线电脉冲中发现这栽形象,也将获得白洞存在的证据。

  看见白洞?

  这个原形能够与时间之箭的稀奇相关——时间为什么只朝一个倾向走进?时间之箭能够并非人们清淡认为的那样,是由宇宙的初首状态的“稀奇性”(即矮熵)导致的。相背,这也许是一栽透视形象,与吾们不益看察者的“稀奇”位置相关:吾们都在黑洞和白洞之外。

  所有这些为黑洞的生命演化挑供了一个诱人的设想:在黑洞内部异国奇点,没未必空闭幕的地方。从外部看,黑洞不是永恒的。相背,在某个时候,黑洞会变成白洞,失踪落进往的东西会逃逸。

  这栽能够性相等乐趣,由于这栽尺寸的白洞相对安详,它们能够是天文学家在宇宙中(间接)探测到的奥秘黑物质的成分之一。其他大无数黑物质理论都必要修改现有的物理学定律,比如展望有一类新粒子——超对称粒子。但由于这些伪想粒子不息异国被探测到,人们对这些理论产生了质疑。

  要做到这一点,就必须存在如许一个时刻:视界从黑洞视界变成白洞视界。在这边,正是量子理论使得这总共得以实现,这要归功于一个多所周知的形象——量子隧穿(quantum tunnelling)。这是对标准经典物理方程的短暂性违背,即使在人们不憧憬展现强量子形象的地方,也能够展现这栽矮概率的情况。例如,量子隧穿是引首核放射性的因为。根据经典力学,被困在原子核内的粒子是无法逃逸的,但量子理论批准它穿过禁锢它的势垒,从而辐射到原子核外。

  但吾信任这栽看法是舛讹的。它杂沓了能够从外部区分的构型的数目,这些构型控制着黑洞的外部走为,而从内部区分的构型的数目则要大得多,这些构型甚至在视界缩短时也会增补。黑洞的内部能够很大,即使它的视界很幼。这就像一个瓶子,瓶颈很幼,但瓶子的容积能够很大。如许的黑洞能够包含大量新闻,这些新闻后来由黑洞开释出来。

  尽管白洞几乎没被追求过,但它的存在貌似是相符理的。迄今为止,吾们还异国发现任何一个白洞,但要清新,在发现黑洞之前,吾们同样也经历了很长时间的推想。

伪设吾们能不益看测一个正在变成白洞的黑洞,那将是吾们首次窥见量子引力作用。伪设吾们能不益看测一个正在变成白洞的黑洞,那将是吾们首次窥见量子引力作用。黑洞向白洞过渡的艺术图。黑洞向白洞过渡的艺术图。图片来源:Sam Chivers图片来源:Sam Chivers  声明:新浪网独家稿件,未经授权不准转载。 -->

  末了,吾有一个思辨的思想。吾们的宇宙能够不是在大爆炸中诞生的:它能够是从之前的坍缩阶段反弹出来的。这栽能够性听命圈量子引力和其他理论框架。宇宙反弹的量子机制相通于黑洞到白洞的反弹。现今宇宙黑物质中的普朗克白洞能够在反弹之前就已经形成了。如果是如许的话,时空在反弹时的几何形状就不像传统宇宙学所认为的那样是均匀的,而是皱巴巴的,由于每个白洞都像是刺时兴空几何中的长刺。