量子反彈

陳壯叔

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

2012年11月2日，一個強烈的射電暴閃現在遠空。它被阿雷西博天文臺305米口徑射電望遠鏡的天線盤捕獲。

對于這一天文現象，射電天文學家已經等候多時。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鏡，他們甚至懷疑，阿雷西博天文臺的射電望遠鏡可能存在技術上的缺陷。

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

還有一種看法十分誘人。它認為，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識，也標志著對物理宇宙的兩種不可調和的理論進行統一的開始，甚至是對一切事物起源的解釋。

紐約巴德學院的理論物理學家哈格德說：“關于所有這些，令人十分興奮。”是的，因為解開這個射電暴暗藏的謎團，將涉及時空的結構、奇點的有無，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。量子理論認為，時空是固定而堅實的網絡，這個場正是通過這個網絡而運行的；相對論則認為，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。

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驗。顯然，這要比我們打算了解黑洞更為重要，更帶有宇宙的本質特征。

黑洞是這樣一個區域。它里面的物質十分致密，以致引力壓倒了一切，沒有任何東西能從那里逃出。根據愛因斯坦的相對論，物質到達黑洞中心就終止了，在那里形成了一個奇點——一個無限致密的小點，物理定律在那里完全失效。也正是在這里，今天的宇宙學家和愛因斯坦產生了分歧，哈格德說，“沒有一個物理學家真正相信那里發生過這種事例”。

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揮作用的，比如黑洞中心。

問題是，現在我們尚無明確的線索，來推測這種理論究竟應該是什么模樣。正如英國諾丁漢大學的理論物理學家T. 索蒂里所說，“我們需要一個引導，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。”現在，人們對快速射電暴的研究，正是根據量子理論的思想，更增添了他們對射電暴的興趣。

一個新的觀點來自哈格德和羅維利。羅維利是法國艾克斯-馬賽大學的理論物理學家，是所謂一體化理論，即圈量子引力論模型的研究者。該理論認為，時空是由相互連接的圈組成的。遠看過去，它平滑、連續，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？他們得出的結論令人大吃一驚。一個黑洞的物質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，黑洞物質不會被擠壓成一個奇點，恰恰相反，圈將產生一個外向壓力，導致量子反彈——一次爆炸，黑洞也就此被摧毀。

黑洞在天空中的消失，也并非第一次被談論。早在20世紀，霍金就曾以“黑洞不黑”的觀點一鳴驚人。他提出的是熱力學的機制，即黑洞蒸發，不過這要經歷一個十分漫長的時間過程。

現在，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會爆炸性地改變自我。他們轉而走向量子理論。他們說，出自一種墜道效應的量子現象，允許亞原子粒子自發地從這一態變成另一態。核聚變也是基于墜道效應。比如在太陽中，這一效應使質子克服難以超越的能量屏障，以進行聚變而釋放能量。量子引力可能也受制于同樣情況。

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

有研究者認為這是一種反常的觀點。說服懷疑者的最好辦法，無疑是拿出實例。

羅維利及其同事做了計算，得出結論說，一個爆炸黑洞發出的信號，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烈影響而形成的微小黑洞），它們的波長應該是幾毫米，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，豈不是進入聲波范圍），并稱該射電暴的波長與他們預期的反彈黑洞的信號（波長） 吻合。

這是極罕見的事例。快速射電暴首次發現于2006年。當時射電天文學家洛里默對澳大利亞帕克斯天文臺的一組老數據做了篩選，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。”經他計算，這個信號來自宇宙的遠方，但無法確定輻射天體。

現在，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量，再以此來推測這個射電暴可能延續的時間。

他們把問題進一步深入，來說明射電暴的時間延長效應。按人們的日常經驗，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。一個大質量天體，產生的引力場越強，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，這是因為地球的引力場隨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。

現在讓我們想象，如果你在黑洞內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，就是因為黑洞的引力場極為強烈。

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，就統計學分析而言，這個數目太少了。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據庫。

在這一方面，正在計劃修建的切倫科夫望遠鏡陣列可以一展身手。切倫科夫望遠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100兆電子伏特能量區域的光子。也就是說，在它建成后，將有能力指認這種標志性的爆炸。

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，只有一個地方出現了奇點，并隨即在該點發生了大爆炸。但如果時空的顆粒性阻止了在第一個地方出現奇點，那么我們的宇宙是如何誕生的？或者，并沒有發生大爆炸，而是發生了大反彈？

大反彈的觀點已經存在了一段時期，它認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。這個觀點符合這樣一種場景：隨著那個死亡宇宙中的所有物質以一種災難性的擠壓堆積在一起，一個巨大的量子反彈突然發生，它把上述擠壓物質的空域擴大到時空單個圈的線度。此時，大爆炸隨之出現。