量子反弹

陈壮叔

快速射电暴是指遥远宇宙中突然出现的短暂而猛烈的无线电波暴发，持续时间极短，通常只有几毫秒，却能够释放出相当于太阳在一整天内释放的能量。目前，这一现象为理论物理学家所青睐，他们想从它那里挖掘宇宙深藏的奥秘。然而，这一现象很少见，迄今只记录到18个。

2012年11月2日，一个强烈的射电暴闪现在远空。它被阿雷西博天文台305米口径射电望远镜的天线盘捕获。

对于这一天文现象，射电天文学家已经等候多时。在此之前，他们记录到的射电暴几乎都来自澳大利亚的射电望远镜，他们甚至怀疑，阿雷西博天文台的射电望远镜可能存在技术上的缺陷。

这种奇怪脉冲的来源目前仍处在神秘之中。一些人认为，它可能来自超密实星体或黑洞。一种比较普遍的看法是，这种快速射电暴很可能产生于快速自转的中子星（也称脉冲星），一位理论物理学家说，“这种观点完全吻合我们的观测结果，且符合我们早已了解的机制”。

还有一种看法十分诱人。它认为，快速射电暴的信号中编码着令人十分惊异的信息，那是一种来自全新途径的黑洞信号。若果真如此，将可能改变我们对这一最不可思议的宇宙天体的认识，也标志着对物理宇宙的两种不可调和的理论进行统一的开始，甚至是对一切事物起源的解释。

纽约巴德学院的理论物理学家哈格德说：“关于所有这些，令人十分兴奋。”是的，因为解开这个射电暴暗藏的谜团，将涉及时空的结构、奇点的有无，甚至宇宙大爆炸的来历。

一直以来，解释时空弯曲而产生引力的广义相对论，和描述自然力场的量子理论之间，存在着一条裂缝。量子理论认为，时空是固定而坚实的网络，这个场正是通过这个网络而运行的；相对论则认为，时空本身就是一个具有延展性的场。如果时空是一个场，那么量子理论可以大显身手，这意味着空间可以分割成很微小的小点。

不过，这基本上还是一个模糊的图像，没有一个人做过这种实验。显然，这要比我们打算了解黑洞更为重要，更带有宇宙的本质特征。

黑洞是这样一个区域。它里面的物质十分致密，以致引力压倒了一切，没有任何东西能从那里逃出。根据爱因斯坦的相对论，物质到达黑洞中心就终止了，在那里形成了一个奇点——一個无限致密的小点，物理定律在那里完全失效。也正是在这里，今天的宇宙学家和爱因斯坦产生了分歧，哈格德说，“没有一个物理学家真正相信那里发生过这种事例”。

相对论十分靠谱，它没有在任何宏观宇宙的观测中失败过，但在奇点面前，它同样无能为力。这迫使研究者去寻找一种成功的量子引力理论，并用它来解释引力是如何在极微小的距离上发挥作用的，比如黑洞中心。

问题是，现在我们尚无明确的线索，来推测这种理论究竟应该是什么模样。正如英国诺丁汉大学的理论物理学家T. 索蒂里所说，“我们需要一个引导，使我们走向量子引力的正确路径”。他说：“如果我们能看到黑洞中发生了什么，而对其的解释并非出自广义相对论，那就将是一次革命。”现在，人们对快速射电暴的研究，正是根据量子理论的思想，更增添了他们对射电暴的兴趣。

一个新的观点来自哈格德和罗维利。罗维利是法国艾克斯-马赛大学的理论物理学家，是所谓一体化理论，即圈量子引力论模型的研究者。该理论认为，时空是由相互连接的圈组成的。远看过去，它平滑、连续，但近看之下，它是不可分的波纹。这些圈是时空基本量子，没有东西比它更小了。因此，圈是不能再分割、再缩小的宇宙客体。它有多大呢？按照罗维利的说法，它只有一个质子体积的10-10。

那么，对黑洞来说，圈量子引力意味着什么呢？他们得出的结论令人大吃一惊。一个黑洞的物质最终可能在引力的挤压下，聚集在一个小圈的线度上，已不能再缩小了。也就是说，黑洞物质不会被挤压成一个奇点，恰恰相反，圈将产生一个外向压力，导致量子反弹——一次爆炸，黑洞也就此被摧毁。

黑洞在天空中的消失，也并非第一次被谈论。早在20世纪，霍金就曾以“黑洞不黑”的观点一鸣惊人。他提出的是热力学的机制，即黑洞蒸发，不过这要经历一个十分漫长的时间过程。

现在，哈格德和罗维利提出的反弹黑洞可不一样。最重要的是，他们的量子反弹将产生一个白洞，一个喷射出粒子和辐射的巨大天体。哈格德说，这一过程就像是“一部黑洞电影的逆向运行”。

哈格德对时空的行为做出了广义相对论的方程，但这并不意味着黑洞确实会爆炸性地改变自我。他们转而走向量子理论。他们说，出自一种坠道效应的量子现象，允许亚原子粒子自发地从这一态变成另一态。核聚变也是基于坠道效应。比如在太阳中，这一效应使质子克服难以超越的能量屏障，以进行聚变而释放能量。量子引力可能也受制于同样情况。

他们的观点总体来说是这样的。当全部物质塌缩而形成黑洞时，很可能不会出现奇点，当物质总体积的线度达到时空的单个圈时，整个黑洞将出现量子坠道事件，它会变得越来越大，直至沸腾，并突然变成一个白洞。

有研究者认为这是一种反常的观点。说服怀疑者的最好办法，无疑是拿出实例。

罗维利及其同事做了计算，得出结论说，一个爆炸黑洞发出的信号，其波长等同于该黑洞的直径。若爆炸黑洞是原始黑洞（就是那些受到宇宙大爆炸强烈影响而形成的微小黑洞），它们的波长应该是几毫米，换言之，处在红外波和无线电波之间。

罗维利的一位同事说，这个结果让她想起了阿雷西博天文台的“神秘声响”（其言外之意是，如果这个信号的波长较长，岂不是进入声波范围），并称该射电暴的波长与他们预期的反弹黑洞的信号（波长） 吻合。

这是极罕见的事例。快速射电暴首次发现于2006年。当时射电天文学家洛里默对澳大利亚帕克斯天文台的一组老数据做了筛选，找出了一个信号。他说：“这是一个我们不知其来源的信号，极为明亮。”经他计算，这个信号来自宇宙的远方，但无法确定辐射天体。

现在，罗维利等人正劲头十足。他们宣称，爆炸黑洞的信号和快速射电暴十分吻合。此后，他们又做了计算，以估算这个黑洞的质量，再以此来推测这个射电暴可能延续的时间。

他们把问题进一步深入，来说明射电暴的时间延长效应。按人们的日常经验，似乎时间走时的速率都是一样的，无论我们身在何处。可是按相对论的原理，在引力场中，时间的走时将放慢。一个大质量天体，产生的引力场越强，时间将走得越慢。一台放在地球上空1万千米处的时钟，其走时要快于一台放在地面上的时钟，这是因为地球的引力场随着距离的增加而减弱。因此，在一个黑洞中，由于其引力场极为强烈，放置其中的时钟的走时将趋于停滞，至少对黑洞外的观察者而言是这样的。

现在让我们想象，如果你在黑洞内目击到一次量子反弹，对你来说，这一爆炸可能历时千分之几秒；但对任何在黑洞外的观察者来说，这一过程将是几十亿年！这一切的出现，就是因为黑洞的引力場极为强烈。

就目前来说，所有已知的射电暴与我们的距离都相差不大，因此无法测量波长随距离的改变。还有，目前我们仅记录到18个射电暴，就统计学分析而言，这个数目太少了。研究者希望，随着时间的推移，我们能记录到更多的快速射电暴，从而有可能建立起一个数据库。

在这一方面，正在计划修建的切伦科夫望远镜阵列可以一展身手。切伦科夫望远镜阵列由位于北半球的一个19座碟形天线阵列与位于南半球的一个99座碟形天线阵列共同组成，可以用来研究高达100兆电子伏特能量区域的光子。也就是说，在它建成后，将有能力指认这种标志性的爆炸。

我们要了解的并非仅限于黑洞和时空，还有宇宙的起源。按照广义相对论，只有一个地方出现了奇点，并随即在该点发生了大爆炸。但如果时空的颗粒性阻止了在第一个地方出现奇点，那么我们的宇宙是如何诞生的？或者，并没有发生大爆炸，而是发生了大反弹？

大反弹的观点已经存在了一段时期，它认为我们的宇宙并非源于一个爆炸，而是源自一个已塌缩的前宇宙。这个观点符合这样一种场景：随着那个死亡宇宙中的所有物质以一种灾难性的挤压堆积在一起，一个巨大的量子反弹突然发生，它把上述挤压物质的空域扩大到时空单个圈的线度。此时，大爆炸随之出现。