北京時(shí)間 2 月 24 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，有研究者認(rèn)為，每個(gè)黑洞的內(nèi)部都孕育著一個(gè)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(gè)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(gè)世紀(jì)的思考與猜測(cè)之后，人類在 20 世紀(jì)為這一問題找到了第一個(gè)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)?？茖W(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(shí)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(gè)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(gè)宇宙具有一個(gè)非常奇怪的特性，并不是每個(gè)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(gè)問題：在這樣的質(zhì)量下，黑洞的事件視界會(huì)有多大？答案是：非常接近可觀測(cè)宇宙的實(shí)際視界大小。此外，斯蒂芬?霍金還提出了另一個(gè)相關(guān)的觀點(diǎn)，認(rèn)為宇宙在每一次創(chuàng)造出黑洞時(shí)，都可能產(chǎn)生一個(gè)“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(gè)“嬰兒宇宙”。那么，我們的宇宙是否真的誕生于某個(gè)黑洞當(dāng)中，而這個(gè)黑洞又屬于某個(gè)更宏大的“母宇宙”？是不是每次產(chǎn)生一個(gè)新的黑洞，就會(huì)誕生一個(gè)新的宇宙呢？
即使是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)體，如一個(gè)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(huì)落入中心奇點(diǎn)，并使黑洞的質(zhì)量增加。
這是一個(gè)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(shí)空區(qū)隔界線：在這個(gè)邊界之內(nèi)，任何事件都無法對(duì)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(huì)受到黑洞的引力效應(yīng)，因?yàn)楹诙吹拇嬖跁?huì)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(dòng)得足夠快或加速得足夠快，它就不一定會(huì)落入黑洞，但可能會(huì)擺脫黑洞的引力影響。
然而，如果一個(gè)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(diǎn)。由于黑洞內(nèi)部的時(shí)空結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重彎曲，一個(gè)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(diǎn)，在這個(gè)過程中黑洞的質(zhì)量會(huì)增加。在某個(gè)位于事件視界之外的人看來，黑洞似乎是隨著時(shí)間的推移而形成、獲得質(zhì)量并成長(zhǎng)的。
羅杰?彭羅斯對(duì)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(shí)對(duì)象，比如恒星（或任何物質(zhì)的集合），會(huì)如何形成一個(gè)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(diǎn)。
這和我們的宇宙有什么關(guān)系呢？在可觀測(cè)的宇宙中，所有已知的、可測(cè)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(cè)到；
（4）光子，或光粒子，攜帶著宇宙歷史上每一個(gè)電磁事件的能量；
（5）引力波，當(dāng)一個(gè)物體移動(dòng)并加速穿過時(shí)空的彎曲結(jié)構(gòu)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生引力波。
在人類儀器所能探測(cè)到的最遠(yuǎn)范圍內(nèi)，我們可以推測(cè)從任何方向到可觀測(cè)宇宙邊緣的距離大約為 460 億光年。如果把整個(gè)可觀測(cè)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(gè)相當(dāng)深刻的問題：如果整個(gè)宇宙被壓縮成一個(gè)點(diǎn)，會(huì)發(fā)生什么？這與另一個(gè)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(gè)點(diǎn)，會(huì)發(fā)生什么？答案是，它會(huì)形成一個(gè)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(dòng)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(gè)奇點(diǎn)。
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(shí)，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(cè)量不同時(shí)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(gè)具有質(zhì)量等于可觀測(cè)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(cè)宇宙的半徑相同！這一發(fā)現(xiàn)本身似乎是一個(gè)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(gè)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(xiàng)發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對(duì)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(gè)方向上的溫度都相同，現(xiàn)在確定為絕對(duì)溫標(biāo) 2.725K，僅比絕對(duì)零度高幾度。該輻射具有一個(gè)非常完美的黑體頻譜，就好像它有一個(gè)高溫的起源；而且無論你從天空的哪個(gè)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(shí)刻，宇宙大爆炸的圖景似乎就越接近一個(gè)奇點(diǎn)，與黑洞內(nèi)部中心的情況相同：一個(gè)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(shí)，它的質(zhì)量和能量會(huì)坍縮到一個(gè)奇點(diǎn)。同樣地，從時(shí)間上往回追溯膨脹的宇宙，也會(huì)在溫度、密度和能量足夠高的時(shí)候形成奇點(diǎn)。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(shí)，也會(huì)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(huì)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(diǎn)的距離，會(huì)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(shí)際上是一個(gè)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(huì)發(fā)現(xiàn)它們?cè)诿恳粋€(gè)點(diǎn)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(huì)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(gè) 100% 反射的球體 —— 就像一面完美的鏡子 —— 來看整個(gè)宇宙，會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙的整體在這個(gè)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(duì)宇宙的理解不斷提高和完善，兩個(gè)新的發(fā)現(xiàn)動(dòng)搖了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。第一個(gè)是宇宙暴脹：現(xiàn)在看來，宇宙不是從奇點(diǎn)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(chǎng)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(shí)，熱的大爆炸才開始。
當(dāng)物質(zhì)坍塌時(shí)，會(huì)不可避免地形成黑洞。彭羅斯第一個(gè)計(jì)算出了這種時(shí)空的物理學(xué)，并將其應(yīng)用于空間上所有點(diǎn)和時(shí)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(duì)論的黃金標(biāo)準(zhǔn)。
第二個(gè)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(huì)被稀釋。自從暴脹和暗能量提出以來，研究者們就推測(cè)它們之間可能存在聯(lián)系。
事實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)比我們?cè)阮A(yù)計(jì)的多得多，也許黑洞將提供一個(gè)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(shí)，黑洞的質(zhì)量會(huì)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(shí)際上標(biāo)志著宇宙是從一個(gè)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(gè)黑洞都在其內(nèi)部的某個(gè)地方產(chǎn)生了自己的“嬰兒宇宙”？這些推測(cè)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(shí)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(duì)論以及宇宙的起源和終結(jié)。
正如球面鏡外的整個(gè)宇宙會(huì)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(gè)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(gè)物理模型都未能提出能夠做到以下三件事的獨(dú)特預(yù)測(cè)：
（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(cè)不同，但可以進(jìn)行驗(yàn)證的新預(yù)測(cè)；
（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(shí)做出了一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型不同的獨(dú)特預(yù)測(cè)：霍金點(diǎn)的存在。所謂“霍金點(diǎn)”，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(gè)黑洞中誕生的觀點(diǎn) —— 以及由黑洞產(chǎn)生嬰兒宇宙的觀點(diǎn) —— 仍然是純粹的推測(cè)。
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(diǎn)有很多值得贊賞的地方。宇宙的誕生和一個(gè)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(gè)黑洞，都在其內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)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(gè)暴脹時(shí)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(dòng)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(shí)別的明顯特征能告訴我們，是否存在這種情況。這對(duì)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(cè)的宇宙中，找到一個(gè)新概念所留下的印記，將這個(gè)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(huì)繼續(xù)研究這些觀點(diǎn)，但它們只是推測(cè)性的假設(shè)。我們不知道宇宙是否真的會(huì)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。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。