物理學(xué)家卡洛·羅維利（carlo rovelli）說，白洞是反向的黑洞，它們噴出物質(zhì)，可以讓我們第一次看到時(shí)空的量子來源。

如果我們能發(fā)現(xiàn)一個(gè)正在變白的黑洞，那將是我們第一次看到量子引力在起作用。

永遠(yuǎn)不要相信教科書，即便是偉大的科學(xué)家所寫的教科書。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)在其著名的1972年所著的“引力與宇宙學(xué)(Gravation and Cosmology)”中稱，黑洞的存在是“非常假設(shè)性”的，他寫道，“宇宙中任何已知物體的引力場中都不存在黑洞”。他錯(cuò)了。幾十年來，射電天文學(xué)家一直在探測落入黑洞的物質(zhì)發(fā)出的信號，卻沒有意識(shí)到這一點(diǎn)。今天，我們有很多證據(jù)表明天空中充滿了黑洞。

這個(gè)故事現(xiàn)在可能在白洞中重演，白洞本質(zhì)上就是黑洞的相反面。在另一本著名的教科書中，世界領(lǐng)先的相對論理論家鮑勃·沃德(Bob Wald)寫道，“沒有理由相信宇宙的任何區(qū)域都對應(yīng)著一個(gè)白洞，這仍然是今天的主流觀點(diǎn)?！钡牵澜绺鞯氐膸讉€(gè)研究小組，最近開始調(diào)查量子力學(xué)是否有可能為這些白洞的形成打開一條通道。宇宙中可能也布滿了白洞。

之所以懷疑存在白洞，是因?yàn)樗鼈兛梢越忾_一個(gè)未解之謎：黑洞中心到底發(fā)生了什么。我們看到大量的物質(zhì)繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，然后落入其中。所有這些下降的物質(zhì)穿過洞的表面，向中心直線下降，然后呢？沒人知道發(fā)生了什么。

愛因斯坦的廣義相對論，我們目前對引力的最好描述，預(yù)測下落中的物質(zhì)最終集中在一個(gè)被稱為奇點(diǎn)的無限密度的中心點(diǎn)上。這是對現(xiàn)實(shí)的一種終結(jié)，時(shí)間本身停止，一切都消失為虛無的點(diǎn)。但是這個(gè)預(yù)言是不可靠的，因?yàn)檫@個(gè)洞的中心不在愛因斯坦偉大理論的范圍之內(nèi)。在這里，引力是如此之強(qiáng)，以至于量子效應(yīng)再也不能被忽略了。為了理解會(huì)發(fā)生什么，我們需要一個(gè)量子引力理論。

量子理論習(xí)慣于解決這類問題。在20世紀(jì)初，經(jīng)典理論預(yù)言，圍繞原子核運(yùn)行的電子的能量將無限地螺旋式下降。量子理論解釋了為什么這種情況不會(huì)發(fā)生：它是被能量的離散性所禁止的。電子的能量只能隨一定數(shù)量的變化而變化，并且它有一個(gè)有限的底部能級。

量子效應(yīng)同樣可以防止在黑洞中心形成無限密度。在這種情況下，正是時(shí)空本身的離散性，由量子引力理論（如環(huán)量子引力）所預(yù)測，才起到了作用。在密度可以變成無限大的地方，沒有無限小的點(diǎn)?？臻g是由單個(gè)單元或量子組成的，它們雖小，但卻是有限的。落下的物質(zhì)可以擠進(jìn)一種叫做普朗克星的超密狀態(tài)。然后，物質(zhì)就可以做一些通常在跌落結(jié)束時(shí)所做的事情：反彈。

它不能在黑洞中反彈，那里的東西只能向下移動(dòng)。但這就是神奇之處：量子引力允許黑洞的整個(gè)時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)反彈，也就是說，繼續(xù)穿過黑洞的中心點(diǎn)，進(jìn)入一個(gè)單獨(dú)的、新的時(shí)空區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域，不僅物質(zhì)，而且整個(gè)時(shí)空都在反彈。這就是我們所說的白洞。

白洞就像是一部向后投射的黑洞的電影。從外部看，它并沒有太大的不同：它的質(zhì)量就像一個(gè)黑洞，所以物體會(huì)被它吸引，并能繞它運(yùn)行。但是，黑洞被一個(gè)可以進(jìn)入但不能離開的事件視界所包圍，而白洞則被一個(gè)可以離開但不能進(jìn)入的事件視界所包圍。

由內(nèi)而外。

廣義相對論預(yù)測了白洞的理論可能性。它們是理論方程的精確解。但長期以來，它們一直被認(rèn)為是可能性極小的細(xì)節(jié)，不能代表任何真實(shí)的東西，就像過去的黑洞一樣，因?yàn)楹茈y看出它們是如何起源的。

然而，早在20世紀(jì)30年代，愛爾蘭物理學(xué)家約翰·萊頓·辛格(John Lighton Synge)就發(fā)現(xiàn)，只要對廣義相對論方程的解進(jìn)行最小的調(diào)整，就有可能將黑洞內(nèi)部的幾何形狀延續(xù)到白洞中。量子力學(xué)可以允許這樣的調(diào)整。

白洞的子體在哪里？它會(huì)在遙遠(yuǎn)的地方，被蟲洞連接起來，還是在不同的宇宙中？不，我們不需要奇怪的猜測。它將會(huì)被發(fā)現(xiàn)在黑洞所在的地方。正如愛因斯坦的理論所理解的那樣，由于時(shí)空的特殊彈性，“中心的另一邊”可以簡單地存在于洞的未來中。這很難想象，但結(jié)果很簡單：在其生命的第一部分，黑洞是黑色的，物質(zhì)落入其中；但在第二階段，在量子躍遷之后，它是白色的，物質(zhì)彈出。

要做到這一點(diǎn)，應(yīng)該有一段時(shí)間，事件視界從黑洞的事件視界轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥吹氖录暯?。在這里，正是量子理論使這種現(xiàn)象得以發(fā)生，這要?dú)w功于一種眾所周知的現(xiàn)象--量子隧穿。這是對標(biāo)準(zhǔn)的、經(jīng)典的物理方程的短暫違反，即使在人們不會(huì)預(yù)料到強(qiáng)烈的量子現(xiàn)象的情況下，這種方程式可能以低概率發(fā)生。例如，隧穿效應(yīng)就是引起核輻射的原因。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，被困在原子核內(nèi)的粒子將無法逃逸，但量子理論允許在囚禁它的勢壁下面“隧穿”，從而輻射到原子核之外。

隧穿需要時(shí)間。放射性物質(zhì)在幾千年內(nèi)保持準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。同樣，黑洞也有很長的壽命。如果我們相信經(jīng)典理論，黑洞將是永恒的。但沒有什么是永恒的。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的研究表明，量子理論意味著黑洞會(huì)慢慢蒸發(fā)和收縮。當(dāng)它們收縮時(shí)，通過隧穿進(jìn)入白洞的可能性就增加了。在某種程度上，它發(fā)生了。而且，重要的是時(shí)空本身的幾何學(xué)-這就是隧穿效應(yīng)。它不是按照經(jīng)典的廣義相對論方程式演化，而是突然從黑洞視界隧穿到白洞視界。

這幅畫有一個(gè)令人費(fèi)解的方面。我們看到的黑洞有著數(shù)百萬年的歷史，因此一個(gè)大黑洞需要很長的時(shí)間才能通過隧穿進(jìn)入白洞。但是落入洞中的物質(zhì)在幾秒鐘內(nèi)迅速到達(dá)中心。它也會(huì)同樣迅速地反彈出來。那么當(dāng)形成一個(gè)白洞需要很長的時(shí)間時(shí)，物質(zhì)怎么會(huì)發(fā)現(xiàn)自己這么快就離開白洞呢？

答案很迷人。在廣義相對論中，時(shí)間是極其靈活的。我們知道，時(shí)間在海平面上（或更靠近地球中心的地方）的比在山上要慢。接近一顆大質(zhì)量恒星或黑洞時(shí)，它的速度會(huì)變得更慢。這就解決了難題：洞內(nèi)很短的時(shí)間可以和外部很長的時(shí)間相匹配。從外面看，洞的內(nèi)部演化看起來像是反彈，但運(yùn)動(dòng)速度非常慢。我們在天空中看到的洞可能僅僅是我們從外部以夸張的慢動(dòng)作看到的坍塌和反彈的物體。

這個(gè)場景的一個(gè)好處是，它解決了著名的黑洞信息悖論--我們期望信息永遠(yuǎn)不會(huì)在自然界中完全消失，但如果時(shí)間在黑洞中結(jié)束，它就會(huì)丟失。解決方案很簡單：如果有任何東西最終彈出，信息就會(huì)被恢復(fù)。

確切地說，信息悖論比這要微妙一些。它產(chǎn)生于一種普遍的信念，即事件視界的面積限制了洞內(nèi)任何可能的不同位形的數(shù)量。如果可用的位形太少，則墜入物質(zhì)的顯著特征將丟失，信息也將丟失。

但我確信這一信念是錯(cuò)誤的。它混淆了與外部可區(qū)別的位形數(shù)量（這些位形控制著洞的外部行為）和內(nèi)部可區(qū)別的位形的數(shù)量（即使在視界縮小時(shí)，內(nèi)部位形也會(huì)增加）。黑洞的內(nèi)部可以是很大的，即使它的視界很小，就像一個(gè)瓶子可以很大，即使它的脖子很小但可以包含大量的信息，隨后由白洞釋放出來。

所有這些都為黑洞的完整生命演化提供了一個(gè)吸引人的場景。在黑洞的內(nèi)部沒有奇點(diǎn)，也沒有時(shí)空結(jié)束的地方，從表面上看，黑洞并不是永恒的。相反，黑洞在某個(gè)時(shí)候會(huì)變白，落在里面的任何東西都終會(huì)逃脫。

從理論上講，這個(gè)場景是美麗的。這是否意味著宇宙中真的布滿了白洞？如果是的話，我們能看到嗎？

答案取決于我們還沒有完全理解的事情。我們在天空中看到的大多數(shù)黑洞都是由于一顆恒星的坍塌而形成的。這些洞太年輕、太大，已經(jīng)無法進(jìn)入白洞。但是，在宇宙大爆炸后不久，較小的黑洞可能是在早期宇宙的激烈環(huán)境中形成的。這些原始黑洞可能已經(jīng)隧穿成白洞，或者今天可能正在隧穿。但是我們不能確定它們的數(shù)量，這使得對當(dāng)前白洞的預(yù)測變得不確定。

另一個(gè)不確定的來源是黑洞的壽命。已經(jīng)嘗試使用環(huán)形量子引力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，但它們依賴于近似值并且尚未定論。然而，我們在霍金蒸發(fā)時(shí)間限制下的最大“長”壽命和量子現(xiàn)象開始所需的最小“短”壽命之間有一個(gè)相當(dāng)牢固的界限。這使我們能夠得出一些初步結(jié)論。

如果其壽命很長，只有小的原始黑洞已經(jīng)變成白色。這意味著目前天空中的大多數(shù)白洞應(yīng)該是最小尺寸的。最小的白洞也就一微克左右。

這是一種有趣的可能性，因?yàn)檫@種大小的白洞可能相對穩(wěn)定，而且它們可能是天文學(xué)家間接在天空中探測到的神秘暗物質(zhì)的一個(gè)組成部分。關(guān)于暗物質(zhì)性質(zhì)的大多數(shù)其他假設(shè)都需要修改公認(rèn)的物理定律。例如，它們依賴于預(yù)測稱為超對稱粒子的新實(shí)體的理論。但是，對這些粒子的探測失敗引起了人們對這些理論的質(zhì)疑。

暗物質(zhì)由小黑洞組成的可能性并不需要建立更多的物理知識(shí)，也不能被任何觀測所排除。如果這是正確的，我們已經(jīng)觀察到了白洞：它們是暗物質(zhì)！

或者，如果黑洞的壽命很短，那么今天隧穿的原始黑洞應(yīng)該具有小行星的質(zhì)量，并且可能會(huì)劇烈爆炸，從而將其大部分質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射的輻射。這一事件將向我們發(fā)送極具能量的宇宙射線和微波或無線電波段的短而猛烈的信號。后者特別耐人尋味，因?yàn)轭愃频男盘栆呀?jīng)被檢測到：最近用射電望遠(yuǎn)鏡觀測到的神秘的快速射電爆發(fā)。再說一次，我們可能已經(jīng)看到了白洞。

我們不能確認(rèn)這些信號確實(shí)來自于只有少量探測的白洞，其他來源也是可能的。但是，我們將在一個(gè)大樣本中尋找一個(gè)特征：平滑的紅移。因此，遙遠(yuǎn)而年輕的白洞發(fā)出的信號應(yīng)該比附近的老白洞產(chǎn)生的波長更短。一旦我們有了足夠的數(shù)據(jù)，我們也許就能在高能宇宙射線或快速射電爆發(fā)中發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。如果我們這樣做，我們將會(huì)有一些證據(jù)證明白洞的存在。

在宇宙中找到白洞的證據(jù)，將是我們對宇宙的理解向前邁出的一大步。它們可以代表對量子引力的第一次直接觀測，從而為基礎(chǔ)物理學(xué)中最大的問題--理解時(shí)空的量子方面的問題--打開一扇窗。

最后要提到一個(gè)非常具有推測性的想法。我們的宇宙可能不是在大爆炸中誕生的：它可能是從先前的崩塌階段反彈出來的。這種可能性被環(huán)量子引力和其他理論框架所允許。宇宙反彈的量子機(jī)制類似于黑白洞反彈。

這一事實(shí)可能與時(shí)間之箭的奧秘（為什么時(shí)間只朝一個(gè)方向前進(jìn)的問題）有關(guān)。時(shí)間之箭可能不是由宇宙的初始狀態(tài)（即低熵狀態(tài)）引起的。相反，這可能是一種與我們觀察者非常“特殊”的位置有關(guān)的透視現(xiàn)象：我們在所有的洞之外。

盡管白洞幾乎完全沒有被發(fā)掘出來，但似乎是合理的。我們還沒有識(shí)別出任何一個(gè)白洞，但我們之前也在很長一段時(shí)間內(nèi)沒有識(shí)別出黑洞。