黑洞會變成白洞嗎？圈量子引力理論：會的

“黑洞會變成白洞嗎？”

圈量子引力理論：“會的。”

黑洞向白洞過渡的藝術想象圖。圈量子引力理論通過將時空量子化，來擴展廣義相對論，它預言黑洞會演化成白洞。| 圖片來源：F. Vidotto/University of the Basque Country

黑洞，是人們所熟悉的非凡天體。科學已經觀測到了大量證明黑洞存在的證據，例如我們看到了：

恆星品質的黑洞與伴星共舞；

星系中央的超大品質黑洞會吞噬周圍的物質；

雙黑洞之間的合並產生的引力波。

所有這些都可以被愛因斯坦在一百多年前提出的廣義相對論完美解釋。

儘管我們已經掌握了很多有關黑洞的資訊，它仍然高度神秘。通過天文觀測，我們看見物質落入黑洞，卻全然不知這些物質到達黑洞中心時會發生什麽。

圈量子引力的證明

物理學家Abhay Ashtekar、Javier Olmedo和Parampreet Singh，已經朝著回答這個問題邁出了一步。他們已經證明，圈量子引力（是為引力提供量子力學描述的候選理論）預測，時空將連續地穿過黑洞的中心，進入一個新的區域，這個區域存在於未來，並且具有白洞內部的幾何。（白洞是黑洞的時間倒轉鏡像，在白洞中，物質只能向外移動。）

顯然，穿過中心進入未來區域的通道這一概念有些違反直覺。然而，這確實是可能的，因為廣義相對論允許洞內部的時空幾何強烈扭曲。這一結果支持了眾多研究小組正在研究的一個假設：所有黑洞的未來都可能轉變成一個真正的白洞，曾經落入黑洞的物質可以從白洞中反彈回來。

然而，現有的理論還不能完全證明這種反彈是如何發生的。圈量子引力能夠做到這一點。這表明圈量子引力理論已經成熟到足以應對現實情況。

我們之所以對黑洞物理的某些方面一無所知，是因為在黑洞的中心以及未來，量子現象佔據主導地位。經典的廣義相對論預言，黑洞永遠存在，它的中心是一個“奇點”，時空在此終結。這些預測與現實並不相符，因為它們忽略了量子效應。為了解決這些問題，我們需要一個量子引力理論。

我們還沒有就這樣一種理論達成共識，但有一些候選理論，其中一些理論已經比較成熟，允許對黑洞的量子行為進行實際計算。圈量子引力就是這樣一種理論，它有著清晰的概念結構，以及定義明確的數學公式，該公式基於將空間結構表示為隨時間演化的自旋網絡。

黑洞轉變為白洞

在過去的幾年裡，一些研究小組已經應用圈理論來探索黑洞的演化。這些努力正在基於從黑洞轉變成白洞的場景來構建一幅引人注目的圖景，這一圖景可以總結如下。

在黑洞中心，空間和時間並不在奇點處結束，而是繼續通過一個短暫的過渡區域。在這個區域中，量子效應將違背愛因斯坦方程。從這個區域開始，空間和時間以白洞內部的結構出現，這是物理學家John Lighton Synge在20世紀30年代提出的一種可能性。隨著黑洞中心的演化，它的外表面，也就是“視界”，由於異塵餘生而慢慢縮小——這是由霍金首次描述的現象。

這種收縮持續進行，直到視界達到普朗克大小（量子引力的特徵尺度），或者在早些時候，在黑洞視界發生量子隧穿，把黑洞的視界變成白洞的視界。由於相對論幾何特殊的扭曲效果，從中心誕生的白洞內部與白洞的視界結合，形成完整的白洞。

描述黑洞通過量子躍遷轉變成白洞的時空演化圖。縱軸表示時間，橫軸表示到中心的距離。| 圖片來源：C. Rovelli/Aix-Marseille University; adapted by APS/Alan Stonebraker

粗略地說，整個現象類似於一個球的反彈。一個球落在地上，彈起，然後向上移動。反彈後的向上運動是下落過程的時間反轉。

類似地，黑洞會“反彈”，並以時間反轉的形式出現，這就是一個白洞。坍塌的物質不會在中心消失，而是會通過白洞反彈出來。落入黑洞的能量和資訊從白洞中出現。壓縮程度最大的結構被稱為“普朗克星”，它將黑洞與白洞分開。

由於相對論所允許的巨大的時間扭曲，從黑洞內部測量時，這一過程發生的時間可以很短（微秒），但從黑洞外部測量時，這一過程發生的時間可以很長（數十億年）。

這是一幅令人信服的圖景，因為它消除了黑洞中心的奇異性，解決了落入黑洞的能量和資訊表面上消失的悖論。到目前為止，這幅從黑洞轉變到白洞的圖景並非來自於實際的量子引力理論；它只是一種推測，並通過對愛因斯坦廣義相對論方程的必要修正得以實現。

Ashtekar、Olmedo和Singh已經證明，這個場景的一個關鍵組成部分——在黑洞中心的轉變，確實遵循一個真正的量子引力理論，也就是圈量子引力理論。這一結果是通過對完全的圈量子引力方程的近似得到的，類似於之前解決大爆炸奇點的工作中使用的方程。

值得注意的是，Ashtekar-Olmedo-Singh模型隻解決了洞中心的過渡問題。為了完成這幅影像，我們還需要計算視界處的隧穿。在這個方向已經采取了初步步驟，但這仍然是一個開放問題。它的解決將導致對黑洞量子物理的全面理解。

來自觀測的證據

經驗主義的觀察結果或許會支持這種圖景，這並非不可能。模型表明，一些觀測到的天體物理現象可能與黑洞到白洞的轉變有關，其中包括快速射電暴（FRBs）和某些高能宇宙射線。兩者都可以由被困在早期宇宙產生的黑洞中的、在黑洞到白洞的轉變過程中釋放出來的物質和光子產生。然而，目前的天體物理數據還不足以確定，觀測到的FRBs和宇宙射線的統計特性是否證實這一假設。

另一個有趣的可能性是，由黑洞到白洞的轉變而產生的小洞可能是穩定的，在這種情況下，這些“殘余”可能是暗物質的組成成分。

我們才剛剛開始理解黑洞的量子物理，但在這個仍處於推測階段的領域，Ashtekar-Olmedo-Singh的結果給了我們一個固定點：圈引力理論預測，黑洞的內部將繼續進入白洞。

這一領域任何進展的重要性都超出了只是對黑洞的理解。黑洞的中心是我們目前的時空理論（正如愛因斯坦的廣義相對論所給出那樣）失效的地方。理解黑洞中心的物理，也意味著理解量子空間和量子時間。

https://physics.aps.org/articles/v11/127