农家小小乐
新浪微博
微信
当前位置:农家小小乐网 » 国学

AI:黑洞会变成白洞吗?

“黑洞会变成白洞吗?”

圈量子引力理论:“会的。”


AI:黑洞会变成白洞吗?


黑洞,是人们所熟悉的非凡天体。科学已经观测到了大量证明黑洞存在的证据,例如我们看到了:

  • 恒星质量的黑洞与伴星共舞;
  • 星系中央的超大质量黑洞会吞噬周围的物质;
  • 双黑洞之间的合并产生的引力波。

所有这些都可以被爱因斯坦在一百多年前提出的广义相对论完美解释。

尽管我们已经掌握了很多有关黑洞的信息,它仍然高度神秘。通过天文观测,我们看见物质落入黑洞,却全然不知这些物质到达黑洞中心时会发生什么

圈量子引力的证明

物理学家Abhay AshtekarJavier OlmedoParampreet Singh,已经朝着回答这个问题迈出了一步。他们已经证明,圈量子引力(是为引力提供量子力学描述的候选理论)预测,时空将连续地穿过黑洞的中心,进入一个新的区域,这个区域存在于未来,并且具有白洞内部的几何。(白洞是黑洞的时间倒转镜像,在白洞中,物质只能向外移动。)

显然,穿过中心进入未来区域的通道这一概念有些违反直觉。然而,这确实是可能的,因为广义相对论允许洞内部的时空几何强烈扭曲。这一结果支持了众多研究小组正在研究的一个假设:所有黑洞的未来都可能转变成一个真正的白洞,曾经落入黑洞的物质可以从白洞中反弹回来

然而,现有的理论还不能完全证明这种反弹是如何发生的。圈量子引力能够做到这一点。这表明圈量子引力理论已经成熟到足以应对现实情况。

我们之所以对黑洞物理的某些方面一无所知,是因为在黑洞的中心以及未来,量子现象占据主导地位。经典的广义相对论预言,黑洞永远存在,它的中心是一个“奇点”,时空在此终结。这些预测与现实并不相符,因为它们忽略了量子效应。为了解决这些问题,我们需要一个量子引力理论。

我们还没有就这样一种理论达成共识,但有一些候选理论,其中一些理论已经比较成熟,允许对黑洞的量子行为进行实际计算。圈量子引力就是这样一种理论,它有着清晰的概念结构,以及定义明确的数学公式,该公式基于将空间结构表示为随时间演化的自旋网络。

黑洞转变为白洞

在过去的几年里,一些研究小组已经应用圈理论来探索黑洞的演化。这些努力正在基于从黑洞转变成白洞的场景来构建一幅引人注目的图景,这一图景可以总结如下。

在黑洞中心,空间和时间并不在奇点处结束,而是继续通过一个短暂的过渡区域。在这个区域中,量子效应将违背爱因斯坦方程。从这个区域开始,空间和时间以白洞内部的结构出现,这是物理学家John Lighton Synge在20世纪30年代提出的一种可能性。随着黑洞中心的演化,它的外表面,也就是“视界”,由于辐射而慢慢缩小——这是由霍金首次描述的现象。

这种收缩持续进行,直到视界达到普朗克大小(量子引力的特征尺度),或者在早些时候,在黑洞视界发生量子隧穿,把黑洞的视界变成白洞的视界。由于相对论几何特殊的扭曲效果,从中心诞生的白洞内部与白洞的视界结合,形成完整的白洞。


AI:黑洞会变成白洞吗?


粗略地说,整个现象类似于一个球的反弹。一个球落在地上,弹起,然后向上移动。反弹后的向上运动是下落过程的时间反转。

类似地,黑洞会“反弹”,并以时间反转的形式出现,这就是一个白洞。坍塌的物质不会在中心消失,而是会通过白洞反弹出来。落入黑洞的能量和信息从白洞中出现。压缩程度最大的结构被称为“普朗克星”,它将黑洞与白洞分开。

由于相对论所允许的巨大的时间扭曲,从黑洞内部测量时,这一过程发生的时间可以很短(微秒),但从黑洞外部测量时,这一过程发生的时间可以很长(数十亿年)。

这是一幅令人信服的图景,因为它消除了黑洞中心的奇异性,解决了落入黑洞的能量和信息表面上消失的悖论。到目前为止,这幅从黑洞转变到白洞的图景并非来自于实际的量子引力理论;它只是一种推测,并通过对爱因斯坦广义相对论方程的必要修正得以实现。

Ashtekar、Olmedo和Singh已经证明,这个场景的一个关键组成部分——在黑洞中心的转变确实遵循一个真正的量子引力理论,也就是圈量子引力理论。这一结果是通过对完全的圈量子引力方程的近似得到的,类似于之前解决大爆炸奇点的工作中使用的方程。

值得注意的是,Ashtekar-Olmedo-Singh模型只解决了洞中心的过渡问题。为了完成这幅图像,我们还需要计算视界处的隧穿。在这个方向已经采取了初步步骤,但这仍然是一个开放问题。它的解决将导致对黑洞量子物理的全面理解。

来自观测的证据

经验主义的观察结果或许会支持这种图景,这并非不可能。模型表明,一些观测到的天体物理现象可能与黑洞到白洞的转变有关,其中包括快速射电暴(FRBs)和某些高能宇宙射线。两者都可以由被困在早期宇宙产生的黑洞中的、在黑洞到白洞的转变过程中释放出来的物质和光子产生。然而,目前的天体物理数据还不足以确定,观测到的FRBs和宇宙射线的统计特性是否证实这一假设。

另一个有趣的可能性是,由黑洞到白洞的转变而产生的小洞可能是稳定的,在这种情况下,这些“残余”可能是暗物质的组成成分。

我们才刚刚开始理解黑洞的量子物理,但在这个仍处于推测阶段的领域,Ashtekar-Olmedo-Singh的结果给了我们一个固定点:圈引力理论预测,黑洞的内部将继续进入白洞。

这一领域任何进展的重要性都超出了只是对黑洞的理解。黑洞的中心是我们目前的时空理论(正如爱因斯坦的广义相对论所给出那样)失效的地方。理解黑洞中心的物理,也意味着理解量子空间和量子时间

AI:黑洞会变成白洞吗?