从黑洞到白洞：宇宙时空的奥秘
从黑洞到白洞：宇宙时空的奥秘
黑洞和白洞是宇宙中最神秘的天体之一。黑洞因其强大的引力连光都无法逃脱而闻名，而白洞则是一个理论上的概念，被认为是黑洞的"时间反演"。意大利理论物理学家卡洛·罗韦利在《白洞》一书中，以独特的视角和诗意的语言，为我们揭示了这两个神秘天体的科学奥秘。
黑洞：时空的漩涡
天空中绝大多数可被观测到的黑洞都源自燃烧完的恒星。它们都是大型恒星，非常重，如果不是因为在燃烧，它们的重量甚至会把自身压碎。恒星燃烧自身的主要成分氢，把氢变成氦。燃烧产生的热量会产生一种压力，抵消恒星的重量，避免它被自己的重量压碎。就这样，恒星能够持续存在数十亿年。
然而，没有什么事物是永恒的。最终，氢消耗殆尽，全部变成了氦和其他无法燃烧的灰烬，此时的恒星就像一辆耗尽了汽油的汽车。恒星的温度下降，重量开始占据上风。在引力的作用下，恒星粉身碎骨。大型恒星的引力极大，哪怕最坚硬的岩石也无法承受。没有任何东西能阻止恒星的坍缩，于是恒星沉入了它的视界。一个黑洞形成了。
要想理解黑洞是什么，我们就不能把它想象成一个中心有奇点的静止圆锥体，而是要把它想象成一根长长的管道，底部是诞生了黑洞的恒星。这个管道不断拉长、变窄，在未来会挤成一条线。奇点不在中心，而是在中心之后。作者认为，这就是整个故事的关键所在。
视界：时空的边界
黑洞的视界是包围黑洞的奇异表面。在地球上，我们把视线所及的最远界线称为“地平线”。不过，假如我们登上一艘船，驶向那条线，我们就能越过它。我们能够越过地平线。越过地平线之后，并没有什么特别的事发生。在岸上看着我们的人会发现我们从他们的视线中消失了，但船上并不会发生任何特别的事。
黑洞的视界也是如此。乘着宇宙飞船旅行时，我们可以随心所欲地接近黑洞视界。我们可以到达那里，可以越过它，不会有任何特别的事发生在我们身上。我们的时钟仍以正常的速度转动，我们周围的距离也仍然保持正常。
当我们进入黑洞视界，远方的朋友就再也看不见我们了。我们越过了他们的视界，就像那艘消失在海平线以外的船。越过黑洞视界之后，假如我们试图向身后，或者说向外发射一束光，让人们看见我们，这束光是出不来的。它被困在了视界的外壳之中，无法抵达我们远方的朋友那里。在视界之内，引力如此强大，连光也被拉了回来。
时间的弯曲
对越过视界的人来说，时间根本不会停止。只有从远处看，视界附近发生的一切才会急剧变慢。但是视界附近的时间弯曲是真实的。如果我们靠近视界，在视界附近逗留再折返地球，那么从我们上一次见到在地球上的人们到再次与之相机，我们经历的时间将比地球上的人经历的时间更短。他将比我们衰老得更快。
这并不是一个视角性的效应，而是引力造成的真正的时间弯曲。时间在引力较强的地方比在引力较弱的地方流逝得更慢。这就是所谓时空“弯曲”的真正含义。在不同的地方，时间流逝的速度实际上是不同的。
但从另一层意义上说，时间并没有变慢，如果我们身处视界之中，我们不会感受到时间在变慢。对我们来说，时间仍在正常流淌。那么问题来了，哪个才是“真正的”时间？是视界处的时间，还是远处观察者的时间？
答案是，二者皆非。因为这个问题毫无意义。这就和问地球上不同地方的人，谁在“上边”谁在“下边”一样。对每个人来说，都是自己在上边，其他人在下边。地球的每个地方都有不同的“上”和“下”……大家只是视角不同而已。同样地，宇宙的每个地方都有自己的时间，不同地方之间可以互相发送信号——就像黑洞从银河系中心向我们发出的哨声。但时间在不同地方的流逝速度并不一样，没有哪个地方的时间比其他地方的时间更真实。
因此，视界附近的时间在变慢，只与不同地方的时间流速之间的关系有关。只有在与远方观察者的时间的关系中，视界处的时间才会停止。世界之网由这些时间的关系编织而成。世上并不存在统一的时间，现实是一张网，在许多可能互相交换信号的地方的时间之中织就。从近处看，视界是一个正常的地方。从远处看，它是时间静止的地方。
白洞：时间的反演
黑洞的奇点区域并不在“中间”，而在坍缩结束之处。在黑洞坍缩到底的那一刻，它能不能像篮球一样反弹，就像时间倒流一样？坠落的轨迹是一个黑洞，如果人们在想象中拍摄黑洞的一生，并将影片倒放，会看到什么呢？作者说，会看见一个白洞。
白洞跟描述黑洞的爱因斯坦方程解是一样的，只是时间符号颠倒了。同样的解，只是看起来像反演了一遍。如果我们能把黑洞的坍缩过程拍下来并倒着放映的话，那就是白洞。
量子现象的特性之一是事物的属性并不总是确定的。一个粒子并不总有确定的位置，实际上，它一般没有位置。当它撞上另一个粒子并抵达屏幕时，它就有了位置。在发射和到达屏幕之间，粒子没有确定的位置。它在跃迁。我们可以认为它像波浪一样扩散开来，只在撞到什么东西时才会重新聚焦。
现实的这种宛如波浪的特性的结果之一就是“隧穿效应”。隧穿效应是指物体能够穿过它原本无法穿越的障碍。空间和时间的量子特性允许黑洞内部“跳 跃”到奇点之外，而经典方程会让时间停止。在这里，发生跃迁的不是一个粒子，而是时空本身。时空的跃迁并不是出现在空间和时间中的现象。它是一种既非空间也非时间的现象，是从一种空间构型到另一种空间构型的量子跃迁。作者所致力于的圈量子引力论正是描述了这种量子跃迁。
一般的量子力学方程给出的，是空间中的物理系统从一种构型跃迁到另一种构型的概率。圈量子引力方程给出的，是一种空间构型跃迁到另一种空间构型的概率。
在反弹出现的瞬间，空间和时间究竟发生了什么？量子理论告诉我们，反弹过程中发生的一切并不存在，没有形状、尺寸和其他属性。作者说，在这个转变过程中，空间和时间会溶解为一团概率云，在概率云之外，它们才能恢复自己的结构。
普朗克恒星：时空的量子跃迁
恒星在其自身周围形成黑洞，反弹，最终从白洞中离开。恒星始终停留在长漏斗的底部。根据圈量子引力理论，这与宇宙大爆炸时的情形非常相似。大爆炸可能是一次大规模的宇宙反弹（“大反弹”)，压缩的宇宙达到了量子所允许的最大密度，然后反弹，并且开始膨胀。在黑洞里，反弹的不是整个宇宙，只是恒星，但两者的物理原理十分相似：在极大的密度之下，量子是离散的，产生的压力阻止了进一步的压缩，并导致了反弹。
在压缩达到最大程度的那一刻，被压缩到极致的恒星被称为“普朗克恒星”，因为它已经达到了量子引力的尺度，即普朗克尺度。推而广之，“普朗克恒星”也是整个现象的名称——恒星坠入黑洞，反弹，离开白洞，重新出现。
黑洞与白洞的区分
从外部看，我们无法分辨白洞与黑洞。黑洞会把物体吸引过去，任何质量体都会，白洞也一样。黑洞周围可能有行星在运行，白洞周围也一样。以此类推。物体既可以向黑洞坠落，也可以向白洞坠落。白洞就像一个反转的黑洞，但这并不意味着引力的吸力变成了斥力。即使时间的方向倒转，引力的吸力也不会变成斥力。作者坚持认为，从外部看，黑洞和白洞的表现完全相同：它们都是通过引力来吸引的质量体。
视界让黑洞与白洞、过去与未来区分开来，但外部却做不到。之所以会这样，是因为量子隧穿效应只发生在时空高度弯曲的区域，与此同时，在外部，在不被量子主宰的地方，一切都继续遵照广义相对论运转。白洞就是时间反演的黑洞！
但是，时间真的可以反演吗？在前面的论述中，作者对黑洞生命周期的重构是忽略了将过去与未来区分开的一切的。为了让整个理论更加完整，作者认为，还要考虑到那些无法在时间中反演的现象，也就是黑洞的生命周期中“不可逆”的方面。
时间的方向
为什么过去和未如此不同？为什么我们只记得过去而不记得未来？什么我们可以决定明天做什么，却无法决定昨天做什么？
为了解释这些问题，作者先从霍金的贡献讲起：1974年，史蒂芬·威廉·霍金（1942-2018）做出了一个意想不到的发现：黑洞会散发热量。这也是一种量子隧穿效应，但比普朗克恒星的反弹更简单：被困在视界之内的光子本来出不去，但由于量子物理发放给万事万物的通行证，它们还是出来了。它们在视界之下“隧穿”了。
黑洞像发热的炉子一样散发出热量，霍金计算出了的温度。辐射的热量带走了能量。黑洞损失能量，从而逐渐失去质量（质量就是能量），变得越来越轻，越来越小。视界也变小了。用术语来说，黑洞“蒸发”了。
在各种不可逆过程中，热量的散发是最典型的一种。这种单向发生的过程不可能在时间层面反演。热量是不可逆的标志，正是热量将过去和未来区分开来。因此，黑洞的生命中至少有一个方面不可逆转：逐渐缩小的视界。不过，视界缩小并不意味着黑洞的内部变小。黑洞的内部仍然很大，只是洞口缩小了。在黑洞变成白洞的那一刻，黑洞视界极小，但内部却极大。一个小小的外壳包裹着巨大的空间，就像所谓的“芥子纳须弥”一样。
空间的几何形状被引力弯曲了，这种弯曲使得巨大的体积被封在一个非常小的球面之中。普朗克恒星的质量造成了这种巨大的弯曲。蒸发让入口收紧，但巨大的内部漏斗仍然存在。
但一个已经蒸发了大部分的老黑洞几乎没有能量，能量已经被霍金辐射带走。它还能包含这么多信息吗？这在目前的科学界有两种不同的看法。
一部分人认为，大量信息不可能被塞进一个很小的表面之内。也就是说，他们确信，一旦大部分能量被带走，视界变得很小，那么黑洞里面就只能留下少量信息了。
但包括作者在内的另一些科学家则持相反的观点：哪怕是一个已经蒸发了很多的黑洞，其中仍然可能存在很多信息。双方都认为对方已经误入歧途而争论不休。
作者这派的观点认为，对普朗克恒星来说，黑洞通过散发霍金辐射失去能量，变小，而当恒星反弹为白洞时，它并不会变得和一开始的黑洞一样大，它仍然很小。形成的白洞比它的母体黑洞要小。
霍金辐射可以缩小视界，直到它变得极小。此时，视界周围的时空弯曲非常严重。因此它处于完全量子态，从黑洞跃迁到白洞的概率变得非常大。于是，跃迁发生了。但白洞没有能量继续增长，它仍然非常小。它会在很长时间内散发出极其微弱的辐射，直到完全消失。
因此，在普朗克恒星的整个生命历程中，能量和信息所遵循的路径截然不同。恒星的初始能量几乎全都在霍金辐射中消失殆尽。恒星损失能量的这种方式很奇特，是以真正的量子方式进行的，霍金辐射有一种负能量成分（没错，在量子世界里，能量也可以是负的！）进入黑洞中。它啃噬黑洞的质量，最后到达恒星，湮灭了恒星的初始（正）能量。到达白洞的残余能量非常少。这就是大部分能量的流向。
在量子跃迁之前，进入视界的信息一直被困在其中。量子跃迁释放了它，让它回到光明的世界。以极少的能量从极小的视界中释放出大量信息，需要花费很长的时间。在所有信息和残余的内部能量都离开后，普朗克恒星的反弹也就结束了，它漫长而幸福的生命周期走到了终点。按这样发展下去，宇宙最终的归属是黑漆漆一片沉寂，真是让人不敢想象。
时间的方向就是事物的平衡
我们记得过去而不记得未来，唯一的原因就是初始的不平衡。我们之所以知晓过去，是因为现在存留着过去的痕迹，例如在我们的记忆中。这些痕迹之所以存在，是因为过去出现过不平衡的状态。过去可知且确定，并不是由于时间具有内在的方向，而是由于在某个时间点，事物是这样排布的，而我们称之为过去。是过去的不平衡导致了痕迹的存在，仅此而已。我们说过去是确定的，就等于在说我们留有很多过去的痕迹。
所以，我们能记住过去，而非未来，完全是因为宇宙在过去的某个时刻比现在更偏离平衡态。如果一个系统达到了完全的平衡态，它就不会再有任何痕迹，也不会再有记忆，更不会有任何东西能够区分过去和未来。或迟或早，所有记忆都会消逝，被日复一日的磨损抹去。或迟或早，我们引以为傲的文明、我们所理解的事物等等，都会无影无踪。
时间的方向就是事物的平衡，是走向平衡的过程。这是一种偶然现象，由事物在时间中的特殊状态引发，我们称之为过去。在一个处于平衡态的宇宙里，就像在波浪平息的水箱里一样，任何现象都不能让我们区分过去和未来。我们将不能分辨时间朝哪个方向流逝。
这真是一个挺有意思而又有些悲剧的假说。有些观点一时也挺让人难以接受的，但正如作者所言，“改变想法并没有错，这说明我们在学习。最优秀的那些科学家就是那些经常改变想法的人，比如爱因斯坦。”而且“科学研究意味着一连串的失望、不顺利的事、错误的想法、失败的实验，以及不合理的计算结果，偶尔才会有快乐的瞬间。”书中对白洞这一还未能被观测到的天体的描述，还有最后对时间、过去与未来等的解释，让人都很是着迷。这实在是本难得的科普作品。