科學史 玄之又玄的白洞，宇宙中真的存在嗎？

2006年6月14日，雨燕伽馬射線天文臺的警報響了 這顆衛星是美國宇航局2004年送上天的 專門盯宇宙裏最爆裂的高能閃暴 這一天，他在印第安座方向抓到一個大傢伙，一束伽馬射線 在宇宙裏跑了16億年，懟到地球臉上，整整閃了102秒 編號GRB060614 天文學家的第一反應很平靜 按照理論 伽馬射線暴分兩檔，兩秒以內的短暴 來自雙中子星這類緻密天體的併合 兩秒以上的長暴 來自大質量恆星坍縮成黑洞 長暴還有一個鐵打的伴隨特徵 恆星塌完要炸 幾天之後，同一片天區必然亮起一顆超新星 這規矩以前從沒破過 警報一發 全世界的望遠鏡掉頭 哈勃空間望遠鏡親自出馬 對着那個方位拍了一輪又一輪 靈敏度壓得比已知最暗的同類超新星還低幾百倍 結果什麼都沒有 一個持續100多秒的長暴 居然沒有屍體 等於有一萬個人在你的視頻評論區揚言要給你一鍵三連 結果你點開視頻，一個點讚的都沒有 你開始懷疑自己是在哪個位面 接下來的五年，天文學家輪流上臺搶救 可能是白矮星餵給了中子星 可能是中等質量黑洞撕碎了一顆過路的恆星 潮汐瓦解事件也能糊弄過去 吵到2011年 兩位物理學家阿隆·雷特和石洛默·赫勒 把最大膽的那個答案拍上了桌 這玩意兒有沒有可能是一次白洞噴發？ 白洞 這個詞一出來，物理學界一半人皺眉，一半人眼睛發亮 皺眉好理解，這東西從沒被證實過，一根毛都沒被觀測到 眼睛發亮也好理解，它是愛因斯坦場方程裏堂堂正正的解 數學手續齊全，理論上完全允許存在 一個方程蓋了 章宇宙卻遲遲不肯簽收的東西，就是今天的主角 要講白洞，繞不開黑洞，因爲白洞這輩子都活在黑洞的陰影裏 從孃胎裏就是 黑洞最早的影子出現在1783年 那年英國天文學家約翰·米歇爾給皇家學會寫信 提出一個腦洞：如果一顆恆星足夠重足夠緻密 引力大到連光都逃不出去 我們就永遠看不見它 他管這東西叫暗星 1796年 法國的拉普拉斯在《宇宙體系論》裏推演出同款怪物 後來自己都嫌離譜再版時悄悄刪掉 這兩位的工具是牛頓力學 思路停在光跑不掉這一層 離真正的黑洞還差一層窗戶紙 引力扭曲的從來不只是光的路線 它扭曲的是時空本身 捅破這層窗戶紙的是愛因斯坦 1915年11月 《廣義相對論》場方程發表 方程漂亮也難到令人髮指 愛因斯坦自己只搞得定近似解 一個月後一封信從一戰東線的戰壕寄到柏林 寄信人卡爾·史瓦西公開身份是德軍炮兵軍官 另一個身份是波茨坦天文臺臺長 此人在俄國前線的炮火間隙 把球對稱不旋轉不帶電的精確解硬算了出來 愛因斯坦大喜過望 1916年1月替他在普魯士科學院宣讀 幾個月後史瓦西在前線染上天泡瘡 5月11日死在戰地醫院年僅42歲 他到死都不知道自己那幾頁紙裏其實藏著三個怪物 一個後來叫黑洞一個叫白洞另一個就是下期要講的蟲洞 史瓦西解的詭異之處在於一個特定半徑上公式會發瘋 在這個半徑以內任何東西火箭 光只許進不許出 這個半徑後來得了個名字，事件視界，順帶一提 視界處的發瘋，在很長一段時間裏被當成時空真的裂開了 物理學家琢磨了近40年才搞明白 那多半是座標系自己鬧出來的毛病 時空本身在那好端端的 可即便如此，當時也沒人信天上真有這種東西 連愛因斯坦本人都不信，恆星憑什麼塌成那樣 頭一個認真回答這問題的人 差點被自己的時代罵死 1930年 19歲的印度學生 錢德拉塞卡坐船去英國留學 在船上順手算了一組數據：白矮星 也就是太陽這類恆星的屍體 靠電子簡併壓力撐着 可這個支撐有上限 超過大約1.4倍太陽質量 引力照樣碾壓一切 恆星只能接着往下塌 1935年 他在英國皇家天文學會宣讀結果 話音剛落，天體物理界的泰山北斗愛丁頓登臺 當衆開炮說，恆星絕不可能這麼荒謬的形式 自然界應該立條法律禁止它 領袖發了話，學界紛紛站隊 錢德拉塞卡心灰意冷，遠走美國 這件事一直掛到1967年 天文學家貝爾·伯奈爾在射電數據裏 逮到週期精準的詭異的脈衝信號，脈衝星 隨後被證實是高速自轉的中子星 理論算出來的恆星屍體天上真有 錢德拉塞卡1983年拿了諾貝爾獎 艾丁頓的嘲諷則成了科學史上打臉最響的金句之一 中子星都被證實了 再往下塌一步的黑洞，也就從荒謬變成了遲早的事 1939年9月1日 奧本海默和學生斯奈德的論文發表 算清了坍縮全過程：大質量恆星燒光燃料 引力徹底失控，一路塌進事件視界 在外界看來，垂死恆星發出的光波長越拉越長，越來越暗 最終凝固在視界上，歸於漆黑 同一天，德國閃擊波蘭，二戰爆發 人類歷史上最重要的坍縮計算 被人類歷史上最大的戰爭頭條直接掩埋 物理學界過了20多年，才重新把它拋出來 至於黑洞這個名字，要到1967年才落定 惠勒，費曼的導師，美國物理學界的教父級人物 在一次講座上嫌引力完全坍縮天體太繞口 臺下有人喊了一嗓子，就叫黑洞吧 惠勒當場拍板 後來有人考證 這個叫法的靈感可能來自他的老同事迪克 1756年 加爾各答發生過一樁英軍戰俘被關進暗室窒息而亡的慘案 史稱加爾各答黑洞 迪克從60年代起 就拿它比喻坍縮恆星 東西掉進去 有去無回 1968年 這個詞印成文章 怪物從此有了姓名 2019年4月10日 事件視界望遠鏡公佈M87星系中心黑洞的照片 橙紅色光環刷爆全網 2022年5月 銀河系中心的人馬座A星也照了相 從米歇爾那封信到黑洞寫真 前後236年 照片拍得到黑洞 爲什麼拍不到白洞 答案是 在廣義相對論之中 這套方程 根本不在乎時間往哪邊走 拿檯球打個比方 你拍一段檯球相撞的視頻，正着放 母球撞散球堆，符合力學定律 倒着放，球堆自己聚攏，彈出母球 每個球的速度角度受力照樣嚴絲合縫的符合力學定律 你看不出任何破綻，基礎物理的方程裏沒有時間箭頭 場方程也一樣，把時間t換成負t，方程紋絲不動 於是物理學家做了個膽大包天的思想實驗 把黑洞吞噬萬物的錄像帶倒放一遍，會得到什麼？ 會得到一個只往外噴，絕不往裏吞的東西：白洞 1960年美國數學家克魯斯卡爾 把史瓦西解延拓到數學允許的極限 匈牙利人賽凱賴什幾乎同時獨立完成同一件事 延拓完的版圖嚇了學界一跳，疆域憑空多出一倍 幾年後，彭羅斯把這張版圖壓成一張菱形示意圖 也就是彭羅斯圖 圖上一共四塊區域：我們的宇宙、黑洞 一個跟我們永遠見不着面的平行宇宙，以及第四塊白洞 黑洞深處躺着一個未來起點 萬物的終點，時間的墳墓 白洞深處蹲着一個過去起點 粒子和時間從那裏生出來 衝向世界之外，永不回頭 你問那些粒子從哪兒來 不知道 問他們去哪兒 出去 只許出去 白洞的世界 規矩整個反着來 黑洞世界是單行道的入口，進得去，出不來 白洞世界是單行道的出口，出得來進不去 時空曲率在黑洞那邊衝向正無窮，在白洞這邊是負無窮 外部物質受到的是無窮大的排斥 你開着飛船，把油門踩進發動機艙 加到無限接近光速，也永遠摸不到白洞的表面 光打向黑洞會被引力拉長成紅光 打向白洞則被瘋狂壓縮，頻率一路狂飆 一個是宇宙的下水道，一個是宇宙的噴泉 一個只進不出，一個只出不進 方程裏躺着的解多了，憑什麼輪到白洞被認真對待？ 因爲上世紀60年代的天文學正被一批天體折磨得夜不能寐 二戰之後射電天文學興起 天文學家在射電源名單裏發現幾個怪東西 光學上看就是一顆闇弱的恆星小點 射電波段卻吼得震天響 1963年荷蘭裔天文學家馬爾滕·施密特 拿到其中一個3C273的光譜 盯着那些無人能對得上號的譜線看了半天 猛然反應過來，這是紅移 紅移值0.158 換算成距離 這顆星遠在20多億光年外 20多億光年外還能亮成一顆星點 它的真實亮度頂得上上百個銀河系 體積跟恆星一個量級 能量輸出碾壓整個星系類型體 能量從哪來 當時一切的物理機制全搭不上來 1964年 蘇聯物理學家伊戈爾·諾維科夫 年紀不到30 從場方程裡把白洞這個解撈了出來 指出坍縮在數學上完全可以反轉成噴發 第二年以色列人尼也曼乾脆把白洞安進了類星體的核心 超密物質從起點噴出來跟外圍被引力拽住的物質高速對撞 炸出足以解釋類星體的輻射這就是白洞的正式登場 這玩意的作用是用於解釋類星體 白洞很快又有了第二重身份給黑洞屏障 黑洞只吃不拉吞下去的恆星行星光去哪了 憑空消失這賬沒法做平 守恆定律是物理學的信仰 信仰要求宇宙必須留個出口 巧的是 1935年愛因斯坦與羅森推導場方程時 發現黑洞的解裡自帶一座橋愛因斯坦羅森橋 後來叫蟲洞橋的另一頭通向另一片時空 這一下三件套齊了 黑洞是入口蟲洞是走廊白洞是出口 這套組合後來有一個損到家的比喻 黑洞是一張大嘴負責吃 蟲洞是肚子負責轉運 白洞是個屁股負責排 肚子有超時空的本事 屁股可以出現在宇宙任何角落 乃至另一個宇宙 話糙理不糙 三種天體的分工一目瞭然 當然幻想歸幻想 後來的計算給這條星際高速 潑過冷水，愛因斯坦-羅森橋 合攏的速度快得離譜 連光都搶在橋塌之前 穿不過去 掉進黑洞的粒子更是直奔起點當場粉身碎骨 這條走廊看得見走不通 中國觀眾看到這 DNA 大概率會動 黑洞白洞一吞一吐一陰一陽 老祖宗的太極圖早已畫好 流行文化也沒放過這麼好的素材 精靈寶可夢之中火箭隊每次登場都要喊 白色的明天在等著我們 二次元把白洞刷成了梗 科幻作家把白洞寫成了星際高速的出站口 名氣是有了可惜名氣從來不等於一定存在 物理學界很快發現，白洞這東西數學上很完美，物理上沒眼看 黑洞有完整的演進過程，恆星燒完燃料塌出來的 從錢德拉塞卡到奧本海默，路線清清楚楚 白洞怎麼演進？方程說，它得從無窮遠的過去就處在那兒 可宇宙大爆炸一共纔過去138億年 哪來的無窮遠？ 學過中學物理的人都懂一個操作 列動能定理 E等於1/2mv方 解速度開平方 一正一負兩個根 負根數學上完全合法，物理上直接扔進垃圾桶 在很多物理學家眼裏，白洞就是那個負根 黑洞靠坍縮形成，白洞靠刷白漆形成 這就是白洞的死穴，已知的物理過程裏 沒有任何一條能造出白洞 在計算中白洞活不過一秒 1974年物理學家道格拉斯·厄德利算了一下 射向黑洞的光被拉長變紅 射向白洞的光反着來藍移 頻率無限拉高，能量在世界外緣不要命的堆積 堆到一定程度 這些光自身的引力就夠坍縮出一個黑洞 原地生成，當場把白洞整個吞掉 說穿了 白洞哪怕奇蹟般誕生 也會在轉瞬之間被自己攢下的能量掐死 它是天體裏的自爆卡車 出生即殉爆，宇宙有一條鐵律： 熵增，杯子碎了不會自己拼回去 潑出去的水不會自己跳回盆裏 萬事萬物從有序滑向無序，沒有例外 黑洞是天生的熵增機器 恆星行星掉進去，碾成基本粒子 結構抹平，信息攪碎 白洞反着來，從起點憑空噴出秩序井然的物質 等於碎玻璃原地復原 等於潑出去的水排着隊回家 在宇宙的局部讓時間倒流，因果倒裝 往輕了說，這叫驚世駭俗 往重了說，這是砸熱力學第二定律的場子 而第二定律是物理學界最後的臉面 愛丁頓當年放過狠話： 你的理論跟麥克斯韋方程衝突 倒黴的可能是麥克斯韋方程 跟觀測衝突，實驗學家偶爾也會失手 可要是跟熱力學第二定律衝突 那它除了當衆丟臉，不會有第二種下場 對白洞的致命一擊來自黑洞內部 1974年，霍金把量子力學嫁到事件視界上 算出一個讓人血壓升高的結果 真空不是空的，虛粒子對不斷生成又湮滅 在世界邊緣，一個掉進去另一個來不及湮滅 被甩向遠方，黑洞在持續漏能 這就是霍金輻射 黑洞不黑，它一邊吞一邊蒸發 小的蒸發快，大的蒸發慢 遲早把吃進去的質量連本帶息吐回宇宙 這一來，白洞存在的核心理由當場塌了半邊 黑洞吞掉的物質根本不需要白洞來排 黑洞能自己慢慢還 霍金輻射還順手炸出一顆更大的雷 1976年，霍金宣佈這種輻射是純熱的 不攜帶任何信息 一本百科全書掉進黑洞 黑洞蒸發完，書裏寫過的每一個字都完全消失 量子力學的底線正是信息守恆 霍金這句話等於在量子力學的祖墳上動土 特霍夫特、薩斯坎德這批人拍案而起 兩邊纏鬥二十多年 薩斯坎德後來把這段公案寫成一本書 書名就叫《黑洞戰爭》 1997年，霍金拉上索恩 跟加州理工的普雷斯基爾立下字據打賭 掉進黑洞的信息到底毀沒毀 賭注是一部百科全書 這個賭注選得極損 百科全書裡的信息隨時可以取回來 2004年7月 都柏林第17屆國際廣義相對論與引力大會 霍金上臺，當著全世界同行的面認輸，信息沒有丟 他把一部棒球百科全書賠給了普雷斯基爾，還補了一刀 早知如此，該把書燒成灰再賠你 那堆灰才更像黑洞裡信息的模樣 全場轟動，第二天報紙的標題齊刷刷都是霍金改口 只有賭約的另一方索恩坐在臺下搖頭，直到多年後都不肯認輸 理由很簡單，你新給的這套論證不夠硬 一場賭局，兩種結局，三個人的脾氣全在裏頭 這段公案跟白洞的關係，一句話就能說清 黑洞連信息都關不住，哪還需要白洞當後門？ 其實白洞存在的可能性丟的比霍金輻射還早 1969年英國天文學家林登貝爾提出 類星體的能量來自星系中心超大 質量黑洞的吸積盤物質對往黑洞裏掉 摩擦生熱，燒出碾壓星系的亮度 此後幾十年的觀測也證明確實如此 今天銀河系中心那顆400多萬倍太陽質量的中央黑洞 構成的耀眼銀星，其實就是巨大的類星體 命運跟白洞開了個玩笑 它當初被造出來解釋類星體 結果類星體是黑洞的傑作 宇宙裏的黑洞多到數不過來 恆星級的按億計 幾乎每個大星系中心都蹲着一個超大質量黑洞 而白洞的確認記錄是零 100多年過去 霍金輻射抹去了白洞爲黑洞排泄的必要 林登貝爾的類星體是黑洞的吸積盤解釋 抹去了白洞解釋類星體的必要 現在只剩一樣東西無從解釋 就是開頭那位GRB060614 雷特和赫勒2012年把論文發在《新天文學》雜誌上 標題起的浪漫，作爲小爆炸的白洞復活 他們的說法是這樣的 白洞無法去做那長明不息的噴泉 它只搞一次性的迷你大爆炸 噴完即散，只閃一下 人類逮不着它 未必因爲它不存在 也可能是窗口太短 可惜故事還有下半場 2021年12月 又一個怪胎被抓到GRB211211A 距離只有11億光年 算宇宙學意義上的家門口 閃了51秒 按老規矩屬於長暴 望遠鏡清清楚楚拍到了千新星的餘暉 雙緻密星併合的鐵證 2022年12月 自然雜誌一口氣發了五篇論文 天文學家這纔回過味 長暴必配超新星這條老規矩 本身就不絕對 再回頭看 GRB 060614 學界的風向也變了 它的各項特徵越來越接近一個帶長尾的併合事件 換句話說 那顆最像白洞的嫌疑星正在一點一點變得不那麼像 奧卡姆剃刀懸在頭頂，能用併合解釋的 何必請白洞出山？剃刀一落 沒有白洞的宇宙邏輯反而更乾淨 那白洞是不是可以蓋棺定論，塞進物理學史的固執堆？ 先別急，它到今天還沒死透 因爲它手裏攥着最後一張牌：黑洞的歸宿 黑洞的中心是一個體積無限小密度無限大的奇點 可無限大這三個字在物理學裏從來算不上答案 它是一聲求救信號 意思是現有理論在這兒破產了 接管後續理論的是量子引力 圈量子引力學派的旗手 意大利人卡洛·羅維利 2014年前後帶着維託託·哈格德幾位 提出一個普朗克星方案，坍縮不會被壓成無限小的點 量子效應會在普朗克尺度上頂住引力，頂到極限 反彈黑洞縮到頭，砰的一聲，轉成白洞噴出去 從外面看，這個過程短得近乎一次爆炸 從理論結構看，黑洞的下半場就是白洞 他們預測宇宙大爆炸遺留的原初小黑洞 要是有一批恰好活到壽數，此時此刻正在陸續炸成白洞 某些來路不明的快速射電暴，說不定就是他們臨終的閃光 假說歸假說，人家好歹給的是可以檢驗的預言 同一個2014年 另一個更狂的方案登上了《宇宙學與天體粒子物理學報》 滑鐵盧大學與圓周理論物理研究所的三位學者 阿夫肖迪普爾哈桑曼恩 把全息原理搬進宇宙學 我們的三維宇宙 可能是一個五維時空裏四維黑洞的事件視界 母宇宙裏一顆恆星的死亡坍縮 在我們這邊看來 就是一場宇宙大爆炸 論文標題毫不遮掩 來自白洞大爆炸的全息起源 繞了一百年 白洞最大的候選居然不在天上，是在時間的開頭 最後就用白洞誕生的故事收尾 話說138億年前，沒有時間，沒有空間，沒有外面這個概念 一切都全在一個無限熱無限密的點裏 然後它射了，只出不進，只膨脹不收縮 外面的東西永遠別想再塞回去 這段描述你逐字讀一遍，跟白洞的定義有哪一個字對不上？ 所以纔有那麼多物理學家認真琢磨宇宙大爆炸 會不會本身就是一場白洞事件 如果是，那我們每個人此刻都活在一場噴發的內部 銀河是浪花，太陽系是水花 你我身上的每一顆原子都是那口噴泉濺出來的水花 故事很狂，但彭羅斯和霍金的起點定理早已證明 經典廣義相對論在起點面前當場失效 大爆炸就是白洞，眼下只能停在假說層面 無人可以拿廣義相對論的方程拍胸脯 2020年，彭羅斯拿下諾貝爾物理學獎 頒獎詞寫的是 黑洞的形成是廣義相對論無可避免的預言 注意措辭，黑洞無可避免，白洞半個字沒提 方程允許未必存在，存在未必看得見 數學是物理學家寫給宇宙的情書 宇宙可不保證回信呢 那麼白洞宇宙中真的存在嗎 誠實的答案只有三個字：不知道 它從史瓦西戰壕裏那幾頁演算紙中爬出來 被類星體之謎捧紅，被霍金輻射去掉必要性 被厄德利的計算直接斃掉 又被圈量子引力從墳頭往回拽 一百多年，在方程裏的確定解和物理學的不必要之間反覆橫跳 黑洞已經確認存在 白洞目前尚只存在於想象 而科學最迷人的地方正在於此 連不存在三個字 都得拿證據說話 證據到齊之前，無人可以替宇宙表態，它不存在 不過話又說回來 萬一呢 萬一大爆炸那場噴發真是一個白洞 那火箭隊那句中二臺詞 就是動畫史上含金量最高的宇宙學預言：白洞 白色的明天 在等着我們 就是這樣喵