量子反彈

陳壯叔

快速射電暴是指遙遠(yuǎn)宇宙中突然出現(xiàn)的短暫而猛烈的無線電波暴發(fā)，持續(xù)時間極短，通常只有幾毫秒，卻能夠釋放出相當(dāng)于太陽在一整天內(nèi)釋放的能量。目前，這一現(xiàn)象為理論物理學(xué)家所青睞，他們想從它那里挖掘宇宙深藏的奧秘。然而，這一現(xiàn)象很少見，迄今只記錄到18個。

2012年11月2日，一個強(qiáng)烈的射電暴閃現(xiàn)在遠(yuǎn)空。它被阿雷西博天文臺305米口徑射電望遠(yuǎn)鏡的天線盤捕獲。

對于這一天文現(xiàn)象，射電天文學(xué)家已經(jīng)等候多時。在此之前，他們記錄到的射電暴幾乎都來自澳大利亞的射電望遠(yuǎn)鏡，他們甚至懷疑，阿雷西博天文臺的射電望遠(yuǎn)鏡可能存在技術(shù)上的缺陷。

這種奇怪脈沖的來源目前仍處在神秘之中。一些人認(rèn)為，它可能來自超密實(shí)星體或黑洞。一種比較普遍的看法是，這種快速射電暴很可能產(chǎn)生于快速自轉(zhuǎn)的中子星（也稱脈沖星），一位理論物理學(xué)家說，“這種觀點(diǎn)完全吻合我們的觀測結(jié)果，且符合我們早已了解的機(jī)制”。

還有一種看法十分誘人。它認(rèn)為，快速射電暴的信號中編碼著令人十分驚異的信息，那是一種來自全新途徑的黑洞信號。若果真如此，將可能改變我們對這一最不可思議的宇宙天體的認(rèn)識，也標(biāo)志著對物理宇宙的兩種不可調(diào)和的理論進(jìn)行統(tǒng)一的開始，甚至是對一切事物起源的解釋。

紐約巴德學(xué)院的理論物理學(xué)家哈格德說：“關(guān)于所有這些，令人十分興奮。”是的，因?yàn)榻忾_這個射電暴暗藏的謎團(tuán)，將涉及時空的結(jié)構(gòu)、奇點(diǎn)的有無，甚至宇宙大爆炸的來歷。

一直以來，解釋時空彎曲而產(chǎn)生引力的廣義相對論，和描述自然力場的量子理論之間，存在著一條裂縫。量子理論認(rèn)為，時空是固定而堅實(shí)的網(wǎng)絡(luò)，這個場正是通過這個網(wǎng)絡(luò)而運(yùn)行的；相對論則認(rèn)為，時空本身就是一個具有延展性的場。如果時空是一個場，那么量子理論可以大顯身手，這意味著空間可以分割成很微小的小點(diǎn)。

不過，這基本上還是一個模糊的圖像，沒有一個人做過這種實(shí)驗(yàn)。顯然，這要比我們打算了解黑洞更為重要，更帶有宇宙的本質(zhì)特征。

黑洞是這樣一個區(qū)域。它里面的物質(zhì)十分致密，以致引力壓倒了一切，沒有任何東西能從那里逃出。根據(jù)愛因斯坦的相對論，物質(zhì)到達(dá)黑洞中心就終止了，在那里形成了一個奇點(diǎn)——一個無限致密的小點(diǎn)，物理定律在那里完全失效。也正是在這里，今天的宇宙學(xué)家和愛因斯坦產(chǎn)生了分歧，哈格德說，“沒有一個物理學(xué)家真正相信那里發(fā)生過這種事例”。

相對論十分靠譜，它沒有在任何宏觀宇宙的觀測中失敗過，但在奇點(diǎn)面前，它同樣無能為力。這迫使研究者去尋找一種成功的量子引力理論，并用它來解釋引力是如何在極微小的距離上發(fā)揮作用的，比如黑洞中心。

問題是，現(xiàn)在我們尚無明確的線索，來推測這種理論究竟應(yīng)該是什么模樣。正如英國諾丁漢大學(xué)的理論物理學(xué)家T. 索蒂里所說，“我們需要一個引導(dǎo)，使我們走向量子引力的正確路徑”。他說：“如果我們能看到黑洞中發(fā)生了什么，而對其的解釋并非出自廣義相對論，那就將是一次革命。”現(xiàn)在，人們對快速射電暴的研究，正是根據(jù)量子理論的思想，更增添了他們對射電暴的興趣。

一個新的觀點(diǎn)來自哈格德和羅維利。羅維利是法國艾克斯-馬賽大學(xué)的理論物理學(xué)家，是所謂一體化理論，即圈量子引力論模型的研究者。該理論認(rèn)為，時空是由相互連接的圈組成的。遠(yuǎn)看過去，它平滑、連續(xù)，但近看之下，它是不可分的波紋。這些圈是時空基本量子，沒有東西比它更小了。因此，圈是不能再分割、再縮小的宇宙客體。它有多大呢？按照羅維利的說法，它只有一個質(zhì)子體積的10-10。

那么，對黑洞來說，圈量子引力意味著什么呢？他們得出的結(jié)論令人大吃一驚。一個黑洞的物質(zhì)最終可能在引力的擠壓下，聚集在一個小圈的線度上，已不能再縮小了。也就是說，黑洞物質(zhì)不會被擠壓成一個奇點(diǎn)，恰恰相反，圈將產(chǎn)生一個外向壓力，導(dǎo)致量子反彈——一次爆炸，黑洞也就此被摧毀。

黑洞在天空中的消失，也并非第一次被談?wù)?。早?0世紀(jì)，霍金就曾以“黑洞不黑”的觀點(diǎn)一鳴驚人。他提出的是熱力學(xué)的機(jī)制，即黑洞蒸發(fā)，不過這要經(jīng)歷一個十分漫長的時間過程。

現(xiàn)在，哈格德和羅維利提出的反彈黑洞可不一樣。最重要的是，他們的量子反彈將產(chǎn)生一個白洞，一個噴射出粒子和輻射的巨大天體。哈格德說，這一過程就像是“一部黑洞電影的逆向運(yùn)行”。

哈格德對時空的行為做出了廣義相對論的方程，但這并不意味著黑洞確實(shí)會爆炸性地改變自我。他們轉(zhuǎn)而走向量子理論。他們說，出自一種墜道效應(yīng)的量子現(xiàn)象，允許亞原子粒子自發(fā)地從這一態(tài)變成另一態(tài)。核聚變也是基于墜道效應(yīng)。比如在太陽中，這一效應(yīng)使質(zhì)子克服難以超越的能量屏障，以進(jìn)行聚變而釋放能量。量子引力可能也受制于同樣情況。

他們的觀點(diǎn)總體來說是這樣的。當(dāng)全部物質(zhì)塌縮而形成黑洞時，很可能不會出現(xiàn)奇點(diǎn)，當(dāng)物質(zhì)總體積的線度達(dá)到時空的單個圈時，整個黑洞將出現(xiàn)量子墜道事件，它會變得越來越大，直至沸騰，并突然變成一個白洞。

有研究者認(rèn)為這是一種反常的觀點(diǎn)。說服懷疑者的最好辦法，無疑是拿出實(shí)例。

羅維利及其同事做了計算，得出結(jié)論說，一個爆炸黑洞發(fā)出的信號，其波長等同于該黑洞的直徑。若爆炸黑洞是原始黑洞（就是那些受到宇宙大爆炸強(qiáng)烈影響而形成的微小黑洞），它們的波長應(yīng)該是幾毫米，換言之，處在紅外波和無線電波之間。

羅維利的一位同事說，這個結(jié)果讓她想起了阿雷西博天文臺的“神秘聲響”（其言外之意是，如果這個信號的波長較長，豈不是進(jìn)入聲波范圍），并稱該射電暴的波長與他們預(yù)期的反彈黑洞的信號（波長） 吻合。

這是極罕見的事例?？焖偕潆姳┦状伟l(fā)現(xiàn)于2006年。當(dāng)時射電天文學(xué)家洛里默對澳大利亞帕克斯天文臺的一組老數(shù)據(jù)做了篩選，找出了一個信號。他說：“這是一個我們不知其來源的信號，極為明亮?！苯?jīng)他計算，這個信號來自宇宙的遠(yuǎn)方，但無法確定輻射天體。

現(xiàn)在，羅維利等人正勁頭十足。他們宣稱，爆炸黑洞的信號和快速射電暴十分吻合。此后，他們又做了計算，以估算這個黑洞的質(zhì)量，再以此來推測這個射電暴可能延續(xù)的時間。

他們把問題進(jìn)一步深入，來說明射電暴的時間延長效應(yīng)。按人們的日常經(jīng)驗(yàn)，似乎時間走時的速率都是一樣的，無論我們身在何處。可是按相對論的原理，在引力場中，時間的走時將放慢。一個大質(zhì)量天體，產(chǎn)生的引力場越強(qiáng)，時間將走得越慢。一臺放在地球上空1萬千米處的時鐘，其走時要快于一臺放在地面上的時鐘，這是因?yàn)榈厍虻囊鲭S著距離的增加而減弱。因此，在一個黑洞中，由于其引力場極為強(qiáng)烈，放置其中的時鐘的走時將趨于停滯，至少對黑洞外的觀察者而言是這樣的。

現(xiàn)在讓我們想象，如果你在黑洞內(nèi)目擊到一次量子反彈，對你來說，這一爆炸可能歷時千分之幾秒；但對任何在黑洞外的觀察者來說，這一過程將是幾十億年！這一切的出現(xiàn)，就是因?yàn)楹诙吹囊鰳O為強(qiáng)烈。

就目前來說，所有已知的射電暴與我們的距離都相差不大，因此無法測量波長隨距離的改變。還有，目前我們僅記錄到18個射電暴，就統(tǒng)計學(xué)分析而言，這個數(shù)目太少了。研究者希望，隨著時間的推移，我們能記錄到更多的快速射電暴，從而有可能建立起一個數(shù)據(jù)庫。

在這一方面，正在計劃修建的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列可以一展身手。切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列由位于北半球的一個19座碟形天線陣列與位于南半球的一個99座碟形天線陣列共同組成，可以用來研究高達(dá)100兆電子伏特能量區(qū)域的光子。也就是說，在它建成后，將有能力指認(rèn)這種標(biāo)志性的爆炸。

我們要了解的并非僅限于黑洞和時空，還有宇宙的起源。按照廣義相對論，只有一個地方出現(xiàn)了奇點(diǎn)，并隨即在該點(diǎn)發(fā)生了大爆炸。但如果時空的顆粒性阻止了在第一個地方出現(xiàn)奇點(diǎn)，那么我們的宇宙是如何誕生的？或者，并沒有發(fā)生大爆炸，而是發(fā)生了大反彈？

大反彈的觀點(diǎn)已經(jīng)存在了一段時期，它認(rèn)為我們的宇宙并非源于一個爆炸，而是源自一個已塌縮的前宇宙。這個觀點(diǎn)符合這樣一種場景：隨著那個死亡宇宙中的所有物質(zhì)以一種災(zāi)難性的擠壓堆積在一起，一個巨大的量子反彈突然發(fā)生，它把上述擠壓物質(zhì)的空域擴(kuò)大到時空單個圈的線度。此時，大爆炸隨之出現(xiàn)。