我们是否生活在一个产生于黑洞的婴儿宇宙中?

新浪科技 2022/2/24 10:10:06 责编:潇公子

北京时间 2 月 24 日消息,据国外媒体报道,有研究者认为,每个黑洞的内部都孕育着一个新的宇宙。那么,我们现在所处的宇宙是从黑洞中产生的吗?

一个惊人的猜想认为,当一个黑洞形成的时候,会产生了一个新的“婴儿宇宙”。如果情况确实如此,那将为我们所处宇宙的起源提供新的线索,并对宇宙随后形成的黑洞内部可能发生的事情提供迷人的暗示。

自人类诞生以来,一个最让人困扰的存在论问题便是:宇宙中的所有这一切从何而来?在无数个世纪的思考与猜测之后,人类在 20 世纪为这一问题找到了第一个科学的答案。我们了解到,宇宙中那些遥远的物体正在彼此加速远离,这是宇宙正在膨胀的证据。科学家还发现,更遥远的星系看起来更年轻,质量更小,恒星形成的速度更快,表明我们的宇宙正在随时间而演化。研究人员还发现了黑体辐射几乎均匀的宇宙微波背景,表明宇宙早期存在一个高温、致密、充满辐射的状态。所有这些拼图放在一起,表明我们的宇宙起源于 138 亿年前的大爆炸。

然而,我们所处的这个宇宙具有一个非常奇怪的特性,并不是每个人都了解。如果将可见宇宙中包含的所有粒子的质量和能量加起来,我们可以提出一个问题:在这样的质量下,黑洞的事件视界会有多大?答案是:非常接近可观测宇宙的实际视界大小。此外,斯蒂芬・霍金还提出了另一个相关的观点,认为宇宙在每一次创造出黑洞时,都可能产生一个“婴儿宇宙”,只有穿过黑洞事件视界的观察者才能进入这个“婴儿宇宙”。那么,我们的宇宙是否真的诞生于某个黑洞当中,而这个黑洞又属于某个更宏大的“母宇宙”?是不是每次产生一个新的黑洞,就会诞生一个新的宇宙呢?

即使是一个复杂的实体,如一个巨大的旋转黑洞(克尔黑洞),一旦你穿过(外部的)事件视界,无论你是由什么类型的物质或辐射组成,都会落入中心奇点,并使黑洞的质量增加。

即使是一个复杂的实体,如一个巨大的旋转黑洞(克尔黑洞),一旦你穿过(外部的)事件视界,无论你是由什么类型的物质或辐射组成,都会落入中心奇点,并使黑洞的质量增加。

这是一个很值得探索的有趣想法。让我们从目前已知的科学出发,思考一下这种可能性到底有多大。

事件视界是用来定义黑洞的时空区隔界线:在这个边界之内,任何事件都无法对边界外的观察者产生影响。在黑洞的事件视界之外,任何物体都会受到黑洞的引力效应,因为黑洞的存在会使空间弯曲;不过,靠近黑洞的物体仍有可能逃脱,如果它在正确的方向上移动得足够快或加速得足够快,它就不一定会落入黑洞,但可能会摆脱黑洞的引力影响。

然而,如果一个物体穿越到事件视界的另一边,它就注定被立即纳入黑洞的中心奇点。由于黑洞内部的时空结构被严重弯曲,一个下落的物体将在穿过事件视界后的几秒钟内到达奇点,在这个过程中黑洞的质量会增加。在某个位于事件视界之外的人看来,黑洞似乎是随着时间的推移而形成、获得质量并成长的。

罗杰·彭罗斯对黑洞物理学最重要的贡献之一,就是展示了我们宇宙中的现实对象,比如恒星(或任何物质的集合),会如何形成一个事件视界,以及所有穿过事件视界的物质都将不可避免地遇到中心奇点。

罗杰・彭罗斯对黑洞物理学最重要的贡献之一,就是展示了我们宇宙中的现实对象,比如恒星(或任何物质的集合),会如何形成一个事件视界,以及所有穿过事件视界的物质都将不可避免地遇到中心奇点。

这和我们的宇宙有什么关系呢?在可观测的宇宙中,所有已知的、可测量的物质形式和辐射包括:

(1)由质子、中子和电子组成的常规物质;

(2)中微子,一种罕见的基本粒子,很少与正常物质相互作用;

(3)暗物质,主导着宇宙的质量,但迄今为止还没有被直接探测到;

(4)光子,或光粒子,携带着宇宙历史上每一个电磁事件的能量;

(5)引力波,当一个物体移动并加速穿过时空的弯曲结构时,就会产生引力波。

在人类仪器所能探测到的最远范围内,我们可以推测从任何方向到可观测宇宙边缘的距离大约为 460 亿光年。如果把整个可观测宇宙中所有这些形式的能量加起来,就可以用爱因斯坦最著名的方程 E = mc²,得出宇宙的等效“质量”。

然后,我们还可以提出一个相当深刻的问题:如果整个宇宙被压缩成一个点,会发生什么?这与另一个问题的答案是一样的。那就是,如果把任何足够大的质量或能量集合压缩成一个点,会发生什么?答案是,它会形成一个黑洞。值得注意的是,在爱因斯坦的引力理论中,如果这组质量 / 能量不带电荷,而且不旋转或没有自旋(即没有角动量),那么总质量就是决定黑洞有多大的唯一因素;在天体物理学中,这就是所谓的史瓦西半径(Schwarzschild radius)—— 如果特定质量的物质被压缩到该半径值之内,将没有任何已知类型的力可以阻止该物质自身的重力将自己压缩成一个奇点。

在邻近的宇宙中,我们所看到的恒星和星系与太阳和银河系都非常相似。但当我们把目光放得更远时,看到的却是宇宙在遥远过去的样子:结构更少、更热、更年轻、进化程度更低。测量不同时期的宇宙有助于我们了解宇宙中存在的所有不同形式的物质和能量,包括常规物质、暗物质、中微子、光子、黑洞和引力波。

在邻近的宇宙中,我们所看到的恒星和星系与太阳和银河系都非常相似。但当我们把目光放得更远时,看到的却是宇宙在遥远过去的样子:结构更少、更热、更年轻、进化程度更低。测量不同时期的宇宙有助于我们了解宇宙中存在的所有不同形式的物质和能量,包括常规物质、暗物质、中微子、光子、黑洞和引力波。

更不可思议的是,一个具有质量等于可观测宇宙中所有物质总质量的黑洞,其史瓦西半径几乎完全与可观测宇宙的半径相同!这一发现本身似乎是一个惊人的巧合,但它提出了一种可能性:我们的宇宙是否就是一个黑洞的内部?但这只是故事的开始,随着研究的深入,一切变得越来越有趣。

20 世纪 60 年代中期,一项发现彻底改变了我们对宇宙的认知:天空中所有位置都出现了统一的、全方位的低能量电磁辐射。这种辐射在各个方向上的温度都相同,现在确定为绝对温标 2.725K,仅比绝对零度高几度。该辐射具有一个非常完美的黑体频谱,就好像它有一个高温的起源;而且无论你从天空的哪个角度看,这种辐射的差异都在三万分之一以内。

这种辐射最初被称为“原始火球”,现在被称为宇宙微波背景辐射,是我们的宇宙正在膨胀和冷却的关键证据 —— 表明宇宙在过去比现在更热、密度更大。往前追溯得越早,宇宙的一切就越小,越均匀,越紧凑。越接近最初的时刻,宇宙大爆炸的图景似乎就越接近一个奇点,与黑洞内部中心的情况相同:一个密度、温度和能量都非常极端的地方,在那里,物理定律本身已经失效了。

当黑洞形成时,它的质量和能量会坍缩到一个奇点。同样地,从时间上往回追溯膨胀的宇宙,也会在温度、密度和能量足够高的时候形成奇点。这两种现象有联系吗?

当黑洞形成时,它的质量和能量会坍缩到一个奇点。同样地,从时间上往回追溯膨胀的宇宙,也会在温度、密度和能量足够高的时候形成奇点。这两种现象有联系吗?

当我们审视支配黑洞的方程时,也会发现一些值得注意的事情。如果你从事件视界外开始,逃逸到距离黑洞无限远的地方,就会发现距离(r)从史瓦西半径(R)增加到无穷大(∞)。另一方面,如果你从事件视界内开始跟踪从黑洞到中心奇点的距离,会发现距离(r)是从史瓦西半径(R)缩小到 0。

没什么大不了的,是吗?不,这实际上是一个大问题,原因如下:如果检查黑洞事件视界之外空间(从 R 到无穷大)的所有属性,并比较黑洞事件视界之内空间(从 R 到 0)的所有属性,你会发现它们在每一个点都是相同的。你所要做的就是用距离的倒数,1 / r(或者更准确地说,用 r/ R 替换所有的 R/ r),来替换距离 r;你会发现,黑洞的内部在数学上和黑洞的外部是相同的。

这几乎就像拿一个 100% 反射的球体 —— 就像一面完美的镜子 —— 来看整个宇宙,会发现宇宙的整体在这个球体之外,但又包含在球体表面的反射镜像中,尽管是扭曲的。

在过去的几十年里,随着我们对宇宙的理解不断提高和完善,两个新的发现动摇了宇宙学的基础。第一个是宇宙暴胀:现在看来,宇宙不是从奇点产生的,而是在大爆炸之前,由一种快速、持续、恒定的指数膨胀状态建立起来的。就好像有某种场提供了空间本身固有的能量,导致宇宙暴胀;只有当暴胀结束时,热的大爆炸才开始。

当物质坍塌时,会不可避免地形成黑洞。彭罗斯第一个计算出了这种时空的物理学,并将其应用于空间上所有点和时间上所有瞬间的所有观察者。从那以后,他提出的这一概念一直是广义相对论的黄金标准。

当物质坍塌时,会不可避免地形成黑洞。彭罗斯第一个计算出了这种时空的物理学,并将其应用于空间上所有点和时间上所有瞬间的所有观察者。从那以后,他提出的这一概念一直是广义相对论的黄金标准。

第二个发现是暗能量:随着宇宙的膨胀及其密度的降低,遥远的星系开始加速远离我们。宇宙再一次 —— 尽管是在小得多的尺度上 —— 表现出空间本身似乎存在某种固有的能量,即使空间继续膨胀,它也不会被稀释。自从暴胀和暗能量提出以来,研究者们就推测它们之间可能存在联系。

事实是,从这两种理论所推断的宇宙膨胀速率之间存在着根本的差异,这加强了它们之间存在联系的猜想。一种可能的解释认为,宇宙早期存在一种更强形式的暗能量:存在于暴胀结束后,但在宇宙微波背景最后一次从原始等离子体散射出去之前发生了衰减。也许暴胀和暗能量之间的共同点比我们原先预计的多得多,也许黑洞将提供一个关键的视角,帮助我们了解这种联系的本质。

这种联系是什么呢?答案很可能还是黑洞。当物质落入黑洞时,黑洞的质量会增加,然后通过霍金辐射衰减,失去质量。随着事件视界大小的改变,是否有可能改变事件视界内观察者在空间结构中所固有的“能量”?有没有可能,我们所认为的宇宙暴胀实际上标志着宇宙是从一个超大质量黑洞中诞生的?暗能量是否也与黑洞有某种联系?

这是否意味着,随着天体物理学上的黑洞在我们的宇宙中形成,每一个黑洞都在其内部的某个地方产生了自己的“婴儿宇宙”?这些推测已经提出了几十年,直到现在还缺乏明确的或者可被证明的结论,但研究者认为,肯定存在一些数学上令人信服的证据,表明二者之间存在联系。事实上,物理学家们已经提出了许多模型和想法,在这条思路的指引下,许多人也将继续关注黑洞、热力学和熵、广义相对论以及宇宙的起源和终结。

正如球面镜外的整个宇宙会被镜子表面反射一样,黑洞内部发生的事情也可能在内部编码了一个全新的宇宙。我们的宇宙可能也与这一过程有关。

正如球面镜外的整个宇宙会被镜子表面反射一样,黑洞内部发生的事情也可能在内部编码了一个全新的宇宙。我们的宇宙可能也与这一过程有关。

遗憾的是,至少到目前为止,每一个物理模型都未能提出能够做到以下三件事的独特预测:

(1)重现暴胀理论所取得的成功,科学家观察到的一些现象已经可以用暴胀的热大爆炸理论成功解释;

(2)解释和 / 或说明流行理论不能解释的观察现象,或者做出与当前主流模型预测不同,但可以进行验证的新预测;

(3)这方面最著名的尝试或许是罗杰・彭罗斯的共形循环宇宙论(Conformal Cyclic Cosmology),该理论确实做出了一个与标准宇宙学模型不同的独特预测:霍金点的存在。所谓“霍金点”,指的是宇宙微波背景中异常低温变化的圆形区域。遗憾的是,这些特征并没有获得有力的数据证明,因此,我们的宇宙从一个黑洞中诞生的观点 —— 以及由黑洞产生婴儿宇宙的观点 —— 仍然是纯粹的推测。

从物理学和数学的角度来看,黑洞和宇宙诞生之间存在联系的观点有很多值得赞赏的地方。宇宙的诞生和一个超大质量黑洞的诞生之间存在着某种联系,这似乎是说得通的;在我们的宇宙中产生的每一个黑洞,都在其内部产生了一个新的宇宙,这似乎也是合理的。

宇宙的最初阶段出现了一个暴胀时期,并导致了大爆炸。数十亿年后的今天,暗能量正导致宇宙加速膨胀。这两种现象有很多共同之处,甚至可能通过黑洞动力学联系起来。

宇宙的最初阶段出现了一个暴胀时期,并导致了大爆炸。数十亿年后的今天,暗能量正导致宇宙加速膨胀。这两种现象有很多共同之处,甚至可能通过黑洞动力学联系起来。

遗憾的是,这里缺少了关键的一步,现在还没有可识别的明显特征能告诉我们,是否存在这种情况。这对任何理论物理学家来说都是最困难的步骤之一:在可观测的宇宙中,找到一个新概念所留下的印记,将这个新概念与旧的、流行的概念区分开来。在成功迈出这一步之前,我们可能会继续研究这些观点,但它们只是推测性的假设。我们不知道宇宙是否真的会在黑洞诞生的过程中出现,但目前,我们不应该排除这种诱人的可能性。

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关键词:黑洞宇宙能量

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