黑洞是宇宙中最神秘的事物之一，它們所處的時(shí)空結(jié)構(gòu)扭曲得如此厲害，以至于光線都無(wú)法逃脫。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，黑洞中心存在一個(gè)奇點(diǎn)，在那里，許多恒星的質(zhì)量被擠壓到了體積接近于0的地方。

然而，2018年12月10日分別發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》和《物理評(píng)論D》的兩篇論文可能會(huì)讓科學(xué)家重新思考我們對(duì)黑洞的認(rèn)知。研究人員在論文中指出，黑洞可能不會(huì)永遠(yuǎn)存在，我們對(duì)它們的本質(zhì)及其中心的猜測(cè)可能是完全錯(cuò)誤的。

愛(ài)因斯坦物理學(xué)的邊界

長(zhǎng)期以來(lái)，一直都有天文學(xué)家和物理學(xué)家認(rèn)為奇點(diǎn)的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。如果一個(gè)物體具有質(zhì)量但沒(méi)有提及，那它就具有無(wú)限大的密度。而且，盡管研究者時(shí)不時(shí)會(huì)提到“無(wú)限”這個(gè)詞，但類(lèi)似的無(wú)限在自然界中是不存在的。相反地，當(dāng)你在真實(shí)的物理學(xué)問(wèn)題中遇到“無(wú)窮大”或“無(wú)限大”時(shí)，它真正的含義是你已經(jīng)把數(shù)學(xué)方法推到了它們的應(yīng)用領(lǐng)域之外。你需要新的數(shù)學(xué)。

這樣的例子并不少見(jiàn)。牛頓的引力定律指出，引力的大小與質(zhì)量乘積成正比，與距離的平方成反比。因此，如果你拿著一個(gè)球遠(yuǎn)離地球，那它就會(huì)“感受”到一定的重量;然后，當(dāng)你把球靠近地球，這一重量就會(huì)逐漸增加。把引力定律的方程推到極限，即隨著你把球無(wú)限靠近地球中心，那理論上它就會(huì)受到無(wú)限大的引力。然而，事實(shí)上并非如此。

當(dāng)你把物體靠近地球表面時(shí)，牛頓的引力定律就不再適用。你必須考慮地球質(zhì)量的實(shí)際分布，而這意味著你需要采用多個(gè)更加復(fù)雜的方程來(lái)預(yù)測(cè)不同的結(jié)果。類(lèi)似的，當(dāng)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)在黑洞中心存在一個(gè)密度無(wú)限大的奇點(diǎn)時(shí)，真實(shí)情況就不可能是這樣。在非常小的尺度上，科學(xué)家需要引入新的引力理論，這一理論就是所謂的“量子引力”。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子引力的含義就是“在最小尺度上的引力”，但這一術(shù)語(yǔ)并不代表某個(gè)特定的理論。不過(guò)，科學(xué)家已經(jīng)提出了一些特定的理論建議，描述微觀宇宙中的引力作用。其中一個(gè)建議稱(chēng)為“圈量子引力論”。

圈量子引力在數(shù)學(xué)上已經(jīng)有了明確定義，它將時(shí)空結(jié)構(gòu)描述為自旋網(wǎng)絡(luò)的晶格，隨著時(shí)間推移而演化。自旋網(wǎng)絡(luò)只是一個(gè)描述粒子和場(chǎng)如何相互作用的數(shù)學(xué)公式。從更實(shí)際的角度來(lái)看，圈量子引力論預(yù)測(cè)時(shí)空是量子化的，可能存在一個(gè)最小的時(shí)間或空間單元，使時(shí)空結(jié)構(gòu)無(wú)法再細(xì)分下去。

奇點(diǎn)還是白洞？

圈量子引力論是一個(gè)很難處理的數(shù)學(xué)理論，它阻止了研究者對(duì)黑洞內(nèi)部做出可測(cè)試的預(yù)測(cè)。然而，賓夕法尼亞州立大學(xué)的阿貝，阿什克塔和哈韋爾，奧爾梅多，以及路易斯安那州立大學(xué)的帕

姆普利特·辛格將圈量子引力論應(yīng)用在了黑洞中心。他們宣稱(chēng)，結(jié)果表明那里不是奇點(diǎn)。

他們的計(jì)算預(yù)測(cè)稱(chēng)，時(shí)空在黑洞中心附近強(qiáng)烈彎曲;由此導(dǎo)致的結(jié)果是，時(shí)空會(huì)在未來(lái)進(jìn)入一個(gè)有著“白洞”結(jié)構(gòu)的區(qū)域。所謂的“白洞”就像反向的黑洞，它不像黑洞那樣會(huì)吞噬物質(zhì)，而是將物質(zhì)拋射出來(lái)。

我們或許還可以用另一種方式來(lái)想象他們的預(yù)測(cè)結(jié)果。眾所周知，在強(qiáng)大的引力場(chǎng)里，時(shí)間會(huì)減慢;而黑洞就擁有宇宙中最強(qiáng)大的引力場(chǎng)。因此，我們可以這么來(lái)解釋這項(xiàng)新研究，即物質(zhì)進(jìn)入黑洞之后又被“彈回”，其質(zhì)量被拋射到宇宙之中。由于黑洞中心附近的時(shí)間如此緩慢，這一“彈回”過(guò)程需要大量的時(shí)間。如果研究人員是對(duì)的，那么在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，科學(xué)家或許能發(fā)現(xiàn)在今天黑洞所處的位置，物質(zhì)將不斷噴涌而出，散布到宇宙各處。

當(dāng)然，在理論科學(xué)中，研究者們提出了太多有趣且吸引眼球的觀點(diǎn)，但后來(lái)都被事實(shí)否定了。這項(xiàng)新工作也可能如此。重要的是，是否能為諸如此類(lèi)的理論觀點(diǎn)找到實(shí)驗(yàn)性的支持。

可能性還是有的，盡管很少?？茖W(xué)家已經(jīng)在太空中觀測(cè)到了一些非常高能的現(xiàn)象，但尚未對(duì)其做出完全的解釋。一種現(xiàn)象是沖擊地球大氣層的高能宇宙射線，另一種現(xiàn)象則是所謂的“快速射電暴”?？焖偕潆姳┮彩且环N高能天體物理現(xiàn)象，是指遙遠(yuǎn)宇宙中突然出現(xiàn)的短暫而猛烈的無(wú)線電波暴發(fā)，持續(xù)時(shí)間極短。這兩種現(xiàn)象至少在原理上可能成為黑洞轉(zhuǎn)變成白洞的標(biāo)志。

現(xiàn)在接受這一有趣的新觀點(diǎn)顯然還為時(shí)尚早，相反，謹(jǐn)慎的做法應(yīng)該是看看接下來(lái)應(yīng)用圈量子引力的計(jì)算是如何展開(kāi)的。如果預(yù)測(cè)結(jié)果有所改進(jìn)，并且開(kāi)始更適用于一些不能解釋的天文現(xiàn)象，那么新的結(jié)果就既能解釋量子引力發(fā)揮作用的原理，而且能重塑我們對(duì)宇宙過(guò)去和未來(lái)的理解。