○ 黑洞向白洞過渡的藝術(shù)想象圖。圈量子引力理論通過將時(shí)空量子化,，來擴(kuò)展廣義相對(duì)論,，它預(yù)言黑洞會(huì)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(xué)已經(jīng)觀測(cè)到了大量證明黑洞存在的證據(jù),，例如我們看到了：

• 恒星質(zhì)量的黑洞與伴星共舞,；

• 星系中央的超大質(zhì)量黑洞會(huì)吞噬周圍的物質(zhì)；

• 雙黑洞之間的合并產(chǎn)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(duì)論完美解釋,。

盡管我們已經(jīng)掌握了很多有關(guān)黑洞的信息，它仍然高度神秘,。通過天文觀測(cè),，我們看見物質(zhì)落入黑洞，卻全然不知這些物質(zhì)到達(dá)黑洞中心時(shí)會(huì)發(fā)生什么,。

物理學(xué)家Abhay Ashtekar,、Javier Olmedo和Parampreet Singh，已經(jīng)朝著回答這個(gè)問題邁出了一步,。他們已經(jīng)證明,，圈量子引力（是為引力提供量子力學(xué)描述的候選理論）預(yù)測(cè)，時(shí)空將連續(xù)地穿過黑洞的中心,，進(jìn)入一個(gè)新的區(qū)域,，這個(gè)區(qū)域存在于未來，并且具有白洞內(nèi)部的幾何,。（白洞是黑洞的時(shí)間倒轉(zhuǎn)鏡像,，在白洞中，物質(zhì)只能向外移動(dòng),。）

顯然,，穿過中心進(jìn)入未來區(qū)域的通道這一概念有些違反直覺。然而,，這確實(shí)是可能的,，因?yàn)?strong>廣義相對(duì)論允許洞內(nèi)部的時(shí)空幾何強(qiáng)烈扭曲。這一結(jié)果支持了眾多研究小組正在研究的一個(gè)假設(shè)：所有黑洞的未來都可能轉(zhuǎn)變成一個(gè)真正的白洞,，曾經(jīng)落入黑洞的物質(zhì)可以從白洞中反彈回來,。

然而，現(xiàn)有的理論還不能完全證明這種反彈是如何發(fā)生的,。圈量子引力能夠做到這一點(diǎn),。這表明圈量子引力理論已經(jīng)成熟到足以應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)情況,。

我們之所以對(duì)黑洞物理的某些方面一無所知，是因?yàn)樵诤诙吹闹行囊约拔磥?，量子現(xiàn)象占據(jù)主導(dǎo)地位,。經(jīng)典的廣義相對(duì)論預(yù)言，黑洞永遠(yuǎn)存在,，它的中心是一個(gè)“奇點(diǎn)”,，時(shí)空在此終結(jié)。這些預(yù)測(cè)與現(xiàn)實(shí)并不相符,，因?yàn)樗鼈兒雎粤肆孔有?yīng),。為了解決這些問題，我們需要一個(gè)量子引力理論,。

我們還沒有就這樣一種理論達(dá)成共識(shí),，但有一些候選理論，其中一些理論已經(jīng)比較成熟,，允許對(duì)黑洞的量子行為進(jìn)行實(shí)際計(jì)算,。圈量子引力就是這樣一種理論，它有著清晰的概念結(jié)構(gòu),，以及定義明確的數(shù)學(xué)公式,，該公式基于將空間結(jié)構(gòu)表示為隨時(shí)間演化的自旋網(wǎng)絡(luò)。

在過去的幾年里,，一些研究小組已經(jīng)應(yīng)用圈理論來探索黑洞的演化。這些努力正在基于從黑洞轉(zhuǎn)變成白洞的場(chǎng)景來構(gòu)建一幅引人注目的圖景,，這一圖景可以總結(jié)如下,。

在黑洞中心，空間和時(shí)間并不在奇點(diǎn)處結(jié)束,，而是繼續(xù)通過一個(gè)短暫的過渡區(qū)域,。在這個(gè)區(qū)域中，量子效應(yīng)將違背愛因斯坦方程,。從這個(gè)區(qū)域開始,，空間和時(shí)間以白洞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，這是物理學(xué)家John Lighton Synge在20世紀(jì)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”,，由于輻射而慢慢縮小——這是由霍金首次描述的現(xiàn)象,。

這種收縮持續(xù)進(jìn)行，直到視界達(dá)到普朗克大小（量子引力的特征尺度）,，或者在早些時(shí)候,，在黑洞視界發(fā)生量子隧穿,，把黑洞的視界變成白洞的視界。由于相對(duì)論幾何特殊的扭曲效果,，從中心誕生的白洞內(nèi)部與白洞的視界結(jié)合,，形成完整的白洞。

○ 描述黑洞通過量子躍遷轉(zhuǎn)變成白洞的時(shí)空演化圖,?？v軸表示時(shí)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(gè)現(xiàn)象類似于一個(gè)球的反彈。一個(gè)球落在地上,，彈起,，然后向上移動(dòng)。反彈后的向上運(yùn)動(dòng)是下落過程的時(shí)間反轉(zhuǎn),。

類似地,，黑洞會(huì)“反彈”，并以時(shí)間反轉(zhuǎn)的形式出現(xiàn),，這就是一個(gè)白洞,。坍塌的物質(zhì)不會(huì)在中心消失，而是會(huì)通過白洞反彈出來,。落入黑洞的能量和信息從白洞中出現(xiàn),。壓縮程度最大的結(jié)構(gòu)被稱為“普朗克星”，它將黑洞與白洞分開,。

由于相對(duì)論所允許的巨大的時(shí)間扭曲,，從黑洞內(nèi)部測(cè)量時(shí)，這一過程發(fā)生的時(shí)間可以很短（微秒）,，但從黑洞外部測(cè)量時(shí),，這一過程發(fā)生的時(shí)間可以很長(zhǎng)（數(shù)十億年）。

這是一幅令人信服的圖景,，因?yàn)樗?strong>消除了黑洞中心的奇異性,，解決了落入黑洞的能量和信息表面上消失的悖論。到目前為止,，這幅從黑洞轉(zhuǎn)變到白洞的圖景并非來自于實(shí)際的量子引力理論,；它只是一種推測(cè)，并通過對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論方程的必要修正得以實(shí)現(xiàn),。

Ashtekar,、Olmedo和Singh已經(jīng)證明，這個(gè)場(chǎng)景的一個(gè)關(guān)鍵組成部分——在黑洞中心的轉(zhuǎn)變,，確實(shí)遵循一個(gè)真正的量子引力理論,，也就是圈量子引力理論,。這一結(jié)果是通過對(duì)完全的圈量子引力方程的近似得到的，類似于之前解決大爆炸奇點(diǎn)的工作中使用的方程,。

值得注意的是,，Ashtekar-Olmedo-Singh模型只解決了洞中心的過渡問題。為了完成這幅圖像,，我們還需要計(jì)算視界處的隧穿,。在這個(gè)方向已經(jīng)采取了初步步驟，但這仍然是一個(gè)開放問題,。它的解決將導(dǎo)致對(duì)黑洞量子物理的全面理解,。

經(jīng)驗(yàn)主義的觀察結(jié)果或許會(huì)支持這種圖景，這并非不可能,。模型表明,，一些觀測(cè)到的天體物理現(xiàn)象可能與黑洞到白洞的轉(zhuǎn)變有關(guān)，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(chǎn)生的黑洞中的,、在黑洞到白洞的轉(zhuǎn)變過程中釋放出來的物質(zhì)和光子產(chǎn)生。然而,，目前的天體物理數(shù)據(jù)還不足以確定,，觀測(cè)到的FRBs和宇宙射線的統(tǒng)計(jì)特性是否證實(shí)這一假設(shè)。

另一個(gè)有趣的可能性是,，由黑洞到白洞的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的小洞可能是穩(wěn)定的,，在這種情況下，這些“殘余”可能是暗物質(zhì)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(gè)仍處于推測(cè)階段的領(lǐng)域，Ashtekar-Olmedo-Singh的結(jié)果給了我們一個(gè)固定點(diǎn)：圈引力理論預(yù)測(cè),，黑洞的內(nèi)部將繼續(xù)進(jìn)入白洞。

這一領(lǐng)域任何進(jìn)展的重要性都超出了只是對(duì)黑洞的理解,。黑洞的中心是我們目前的時(shí)空理論（正如愛因斯坦的廣義相對(duì)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(shí)間,。