宇宙起源于138億年前的大爆炸？科學(xué)家找到了第一個答案

有研究者認(rèn)為，每個黑洞的內(nèi)部都孕育著一個新的宇宙。那么，我們現(xiàn)在所處的宇宙是從黑洞中產(chǎn)生的嗎?

自人類誕生以來，一個最讓人困擾的存在論問題便是：宇宙中的所有這一切從何而來?

在無數(shù)個世紀(jì)的思考與猜測之后，人類在20世紀(jì)為這一問題找到了第一個科學(xué)的答案。

我們了解到，宇宙中那些遙遠(yuǎn)的物體正在彼此加速遠(yuǎn)離，這是宇宙正在膨脹的證據(jù)。科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，更遙遠(yuǎn)的星系看起來更年輕，質(zhì)量更小，恒星形成的速度更快，表明我們的宇宙正在隨時間而演化。研究人員還發(fā)現(xiàn)了黑體輻射幾乎均勻的宇宙微波背景，表明宇宙早期存在一個高溫、致密、充滿輻射的狀態(tài)。

所有這些拼圖放在一起，表明我們的宇宙起源于138億年前的大爆炸。

然而，我們所處的這個宇宙具有一個非常奇怪的特性，并不是每個人都了解。

如果將可見宇宙中包含的所有粒子的質(zhì)量和能量加起來，我們可以提出一個問題：在這樣的質(zhì)量下，黑洞的事件視界會有多大?答案是：非常接近可觀測宇宙的實際視界大小。

此外，斯蒂芬·霍金還提出了另一個相關(guān)的觀點，認(rèn)為宇宙在每一次創(chuàng)造出黑洞時，都可能產(chǎn)生一個“嬰兒宇宙”，只有穿過黑洞事件視界的觀察者才能進(jìn)入這個“嬰兒宇宙”。

那么，我們的宇宙是否真的誕生于某個黑洞當(dāng)中，而這個黑洞又屬于某個更宏大的“母宇宙”?是不是每次產(chǎn)生一個新的黑洞，就會誕生一個新的宇宙呢?

即使是一個復(fù)雜的實體，如一個巨大的旋轉(zhuǎn)黑洞(克爾黑洞)，一旦你穿過(外部的)事件視界，無論你是由什么類型的物質(zhì)或輻射組成，都會落入中心奇點，并使黑洞的質(zhì)量增加

這是一個很值得探索的有趣想法。讓我們從目前已知的科學(xué)出發(fā)，思考一下這種可能性到底有多大。

事件視界是用來定義黑洞的時空區(qū)隔界線：在這個邊界之內(nèi)，任何事件都無法對邊界外的觀察者產(chǎn)生影響。在黑洞的事件視界之外，任何物體都會受到黑洞的引力效應(yīng)，因為黑洞的存在會使空間彎曲;不過，靠近黑洞的物體仍有可能逃脫，如果它在正確的方向上移動得足夠快或加速得足夠快，它就不一定會落入黑洞，但可能會擺脫黑洞的引力影響。

然而，如果一個物體穿越到事件視界的另一邊，它就注定被立即納入黑洞的中心奇點。由于黑洞內(nèi)部的時空結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重彎曲，一個下落的物體將在穿過事件視界后的幾秒鐘內(nèi)到達(dá)奇點，在這個過程中黑洞的質(zhì)量會增加。在某個位于事件視界之外的人看來，黑洞似乎是隨著時間的推移而形成、獲得質(zhì)量并成長的。

羅杰·彭羅斯對黑洞物理學(xué)最重要的貢獻(xiàn)之一，就是展示了我們宇宙中的現(xiàn)實對象，比如恒星(或任何物質(zhì)的集合)，會如何形成一個事件視界，以及所有穿過事件視界的物質(zhì)都將不可避免地遇到中心奇點。

這和我們的宇宙有什么關(guān)系呢?在可觀測的宇宙中，所有已知的、可測量的物質(zhì)形式和輻射包括：

(1)由質(zhì)子、中子和電子組成的常規(guī)物質(zhì);

(2)中微子，一種罕見的基本粒子，很少與正常物質(zhì)相互作用;

(3)暗物質(zhì)，主導(dǎo)著宇宙的質(zhì)量，但迄今為止還沒有被直接探測到;

(4)光子，或光粒子，攜帶著宇宙歷史上每一個電磁事件的能量;

(5)引力波，當(dāng)一個物體移動并加速穿過時空的彎曲結(jié)構(gòu)時，就會產(chǎn)生引力波。

在人類儀器所能探測到的最遠(yuǎn)范圍內(nèi)，我們可以推測從任何方向到可觀測宇宙邊緣的距離大約為460億光年。如果把整個可觀測宇宙中所有這些形式的能量加起來，就可以用愛因斯坦最著名的方程E = mc2，得出宇宙的等效“質(zhì)量”。

然后，我們還可以提出一個相當(dāng)深刻的問題：如果整個宇宙被壓縮成一個點，會發(fā)生什么?

這與另一個問題的答案是一樣的。那就是，如果把任何足夠大的質(zhì)量或能量集合壓縮成一個點，會發(fā)生什么?

答案是，它會形成一個黑洞。

值得注意的是，在愛因斯坦的引力理論中，如果這組質(zhì)量/能量不帶電荷，而且不旋轉(zhuǎn)或沒有自旋(即沒有角動量)，那么總質(zhì)量就是決定黑洞有多大的唯一因素;在天體物理學(xué)中，這就是所謂的史瓦西半徑(Schwarzschild radius)——如果特定質(zhì)量的物質(zhì)被壓縮到該半徑值之內(nèi)，將沒有任何已知類型的力可以阻止該物質(zhì)自身的重力將自己壓縮成一個奇點。

在鄰近的宇宙中，我們所看到的恒星和星系與太陽和銀河系都非常相似。但當(dāng)我們把目光放得更遠(yuǎn)時，看到的卻是宇宙在遙遠(yuǎn)過去的樣子：結(jié)構(gòu)更少、更熱、更年輕、進(jìn)化程度更低。測量不同時期的宇宙有助于我們了解宇宙中存在的所有不同形式的物質(zhì)和能量，包括常規(guī)物質(zhì)、暗物質(zhì)、中微子、光子、黑洞和引力波

更不可思議的是，一個具有質(zhì)量等于可觀測宇宙中所有物質(zhì)總質(zhì)量的黑洞，其史瓦西半徑幾乎完全與可觀測宇宙的半徑相同!

這一發(fā)現(xiàn)本身似乎是一個驚人的巧合，但它提出了一種可能性：我們的宇宙是否就是一個黑洞的內(nèi)部?

但這只是故事的開始，隨著研究的深入，一切變得越來越有趣。

20世紀(jì)60年代中期，一項發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對宇宙的認(rèn)知：天空中所有位置都出現(xiàn)了統(tǒng)一的、全方位的低能量電磁輻射。這種輻射在各個方向上的溫度都相同，現(xiàn)在確定為絕對溫標(biāo)2.725K，僅比絕對零度高幾度。

該輻射具有一個非常完美的黑體頻譜，就好像它有一個高溫的起源;而且無論你從天空的哪個角度看，這種輻射的差異都在三萬分之一以內(nèi)。

這種輻射最初被稱為“原始火球”，現(xiàn)在被稱為宇宙微波背景輻射，是我們的宇宙正在膨脹和冷卻的關(guān)鍵證據(jù)——表明宇宙在過去比現(xiàn)在更熱、密度更大。

往前追溯得越早，宇宙的一切就越小，越均勻，越緊湊。越接近最初的時刻，宇宙大爆炸的圖景似乎就越接近一個奇點，與黑洞內(nèi)部中心的情況相同：一個密度、溫度和能量都非常極端的地方，在那里，物理定律本身已經(jīng)失效了。

當(dāng)黑洞形成時，它的質(zhì)量和能量會坍縮到一個奇點。同樣地，從時間上往回追溯膨脹的宇宙，也會在溫度、密度和能量足夠高的時候形成奇點。這兩種現(xiàn)象有聯(lián)系嗎?

當(dāng)我們審視支配黑洞的方程時，也會發(fā)現(xiàn)一些值得注意的事情。如果你從事件視界外開始，逃逸到距離黑洞無限遠(yuǎn)的地方，就會發(fā)現(xiàn)距離(r)從史瓦西半徑(R)增加到無窮大(∞)。另一方面，如果你從事件視界內(nèi)開始跟蹤從黑洞到中心奇點的距離，會發(fā)現(xiàn)距離(r)是從史瓦西半徑(R)縮小到0。

沒什么大不了的，是嗎?不，這實際上是一個大問題，原因如下：如果檢查黑洞事件視界之外空間(從R到無窮大)的所有屬性，并比較黑洞事件視界之內(nèi)空間(從R到0)的所有屬性，你會發(fā)現(xiàn)它們在每一個點都是相同的。

你所要做的就是用距離的倒數(shù)，1/r(或者更準(zhǔn)確地說，用r/ R替換所有的R/ r)，來替換距離r;你會發(fā)現(xiàn)，黑洞的內(nèi)部在數(shù)學(xué)上和黑洞的外部是相同的。

這幾乎就像拿一個100%反射的球體——就像一面完美的鏡子——來看整個宇宙，會發(fā)現(xiàn)宇宙的整體在這個球體之外，但又包含在球體表面的反射鏡像中，盡管是扭曲的。

在過去的幾十年里，隨著我們對宇宙的理解不斷提高和完善，兩個新的發(fā)現(xiàn)動搖了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。

第一個是宇宙暴脹：現(xiàn)在看來，宇宙不是從奇點產(chǎn)生的，而是在大爆炸之前，由一種快速、持續(xù)、恒定的指數(shù)膨脹狀態(tài)建立起來的。就好像有某種場提供了空間本身固有的能量，導(dǎo)致宇宙暴脹;只有當(dāng)暴脹結(jié)束時，熱的大爆炸才開始。

當(dāng)物質(zhì)坍塌時，會不可避免地形成黑洞。彭羅斯第一個計算出了這種時空的物理學(xué)，并將其應(yīng)用于空間上所有點和時間上所有瞬間的所有觀察者。從那以后，他提出的這一概念一直是廣義相對論的黃金標(biāo)準(zhǔn)

第二個發(fā)現(xiàn)是暗能量：隨著宇宙的膨脹及其密度的降低，遙遠(yuǎn)的星系開始加速遠(yuǎn)離我們。宇宙再一次——盡管是在小得多的尺度上——表現(xiàn)出空間本身似乎存在某種固有的能量，即使空間繼續(xù)膨脹，它也不會被稀釋。自從暴脹和暗能量提出以來，研究者們就推測它們之間可能存在聯(lián)系。

事實是，從這兩種理論所推斷的宇宙膨脹速率之間存在著根本的差異，這加強了它們之間存在聯(lián)系的猜想。

一種可能的解釋認(rèn)為，宇宙早期存在一種更強形式的暗能量：存在于暴脹結(jié)束后，但在宇宙微波背景最后一次從原始等離子體散射出去之前發(fā)生了衰減。也許暴脹和暗能量之間的共同點比我們原先預(yù)計的多得多，也許黑洞將提供一個關(guān)鍵的視角，幫助我們了解這種聯(lián)系的本質(zhì)。

這種聯(lián)系是什么呢?答案很可能還是黑洞。

當(dāng)物質(zhì)落入黑洞時，黑洞的質(zhì)量會增加，然后通過霍金輻射衰減，失去質(zhì)量。隨著事件視界大小的改變，是否有可能改變事件視界內(nèi)觀察者在空間結(jié)構(gòu)中所固有的“能量”?有沒有可能，我們所認(rèn)為的宇宙暴脹實際上標(biāo)志著宇宙是從一個超大質(zhì)量黑洞中誕生的?暗能量是否也與黑洞有某種聯(lián)系?

這是否意味著，隨著天體物理學(xué)上的黑洞在我們的宇宙中形成，每一個黑洞都在其內(nèi)部的某個地方產(chǎn)生了自己的“嬰兒宇宙”?

這些推測已經(jīng)提出了幾十年，直到現(xiàn)在還缺乏明確的或者可被證明的結(jié)論，但研究者認(rèn)為，肯定存在一些數(shù)學(xué)上令人信服的證據(jù)，表明二者之間存在聯(lián)系。

事實上，物理學(xué)家們已經(jīng)提出了許多模型和想法，在這條思路的指引下，許多人也將繼續(xù)關(guān)注黑洞、熱力學(xué)和熵、廣義相對論以及宇宙的起源和終結(jié)。

正如球面鏡外的整個宇宙會被鏡子表面反射一樣，黑洞內(nèi)部發(fā)生的事情也可能在內(nèi)部編碼了一個全新的宇宙。我們的宇宙可能也與這一過程有關(guān)

遺憾的是，至少到目前為止，每一個物理模型都未能提出能夠做到以下三件事的獨特預(yù)測：

(1)重現(xiàn)暴脹理論所取得的成功，科學(xué)家觀察到的一些現(xiàn)象已經(jīng)可以用暴脹的熱大爆炸理論成功解釋;

(2)解釋和/或說明流行理論不能解釋的觀察現(xiàn)象，或者做出與當(dāng)前主流模型預(yù)測不同，但可以進(jìn)行驗證的新預(yù)測;

(3)這方面最著名的嘗試或許是羅杰·彭羅斯的共形循環(huán)宇宙論(Conformal Cyclic Cosmology)，該理論確實做出了一個與標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型不同的獨特預(yù)測：霍金點的存在。所謂“霍金點”，指的是宇宙微波背景中異常低溫變化的圓形區(qū)域。遺憾的是，這些特征并沒有獲得有力的數(shù)據(jù)證明，因此，我們的宇宙從一個黑洞中誕生的觀點——以及由黑洞產(chǎn)生嬰兒宇宙的觀點——仍然是純粹的推測。

從物理學(xué)和數(shù)學(xué)的角度來看，黑洞和宇宙誕生之間存在聯(lián)系的觀點有很多值得贊賞的地方。宇宙的誕生和一個超大質(zhì)量黑洞的誕生之間存在著某種聯(lián)系，這似乎是說得通的;在我們的宇宙中產(chǎn)生的每一個黑洞，都在其內(nèi)部產(chǎn)生了一個新的宇宙，這似乎也是合理的。

宇宙的最初階段出現(xiàn)了一個暴脹時期，并導(dǎo)致了大爆炸。數(shù)十億年后的今天，暗能量正導(dǎo)致宇宙加速膨脹。這兩種現(xiàn)象有很多共同之處，甚至可能通過黑洞動力學(xué)聯(lián)系起來。

遺憾的是，這里缺少了關(guān)鍵的一步，現(xiàn)在還沒有可識別的明顯特征能告訴我們，是否存在這種情況。

這對任何理論物理學(xué)家來說都是最困難的步驟之一：在可觀測的宇宙中，找到一個新概念所留下的印記，將這個新概念與舊的、流行的概念區(qū)分開來。

在成功邁出這一步之前，我們可能會繼續(xù)研究這些觀點，但它們只是推測性的假設(shè)。我們不知道宇宙是否真的會在黑洞誕生的過程中出現(xiàn)，但目前，我們不應(yīng)該排除這種誘人的可能性。

標(biāo)簽： 宇宙起源 宇宙大爆炸 科學(xué)宇宙 宇宙黑洞