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我们生活的宇宙在黑洞里!物理学家提出新的宇宙奥秘的解决方案

我们的宇宙可能存在于一个黑洞内部。这提起来似乎有些奇怪,但是它可能是宇宙如何开始,以及我们现在所观察到的现象的最好解释。包括我在内的一个小组在过期几十年内对这个理论进行了探索。

标准的大爆炸理论即暗示宇宙由一个看起来不太可能的具有无穷大的物质密度、尺寸无穷小的“奇点”开始,膨胀成我们现在观察到的样子。虽然理论很成功,但依然有一些值得一提的尚未解释的问题,如暴涨理论——近几十年提出来的超快空间扩张的假设,填补了许多细节,比如聚集的物质中的小块会汇聚成更大的天体,如星系和星系团。

但是这些理论有一些大问题没有解决。例如,什么引起了大爆炸?什么造成了暴涨的结束?造成宇宙表观地加速膨胀的神秘的暗能量的来源是什么?

我们的宇宙整个地包含在一个黑洞里面这一观点,解释了上述问题以及许多其它问题。这一观点消除了我们的宇宙中物理学上不可能的奇点的概念,它来源于物理里面的两大中心理论。

第一个是广义相对论,现代的引力理论。它描述大尺度的宇宙。宇宙中发生的任何事件被看成时间和空间(或者称为时空)中的一个点。大质量物体扭曲时空。就像放在画布上的保龄球。太阳的引力凹痕改变了绕着它的地球和其它行星的运动。太阳对行星的吸引在我们看起来就是万有引力。第二个是量子力学,它描述小尺度的宇宙,比如原子尺度。但是,相对论和量子力学目前是分开的理论;物理学家一直在努力将它们成功结合成单个的量子引力理论来足够描述重要的现象,比如亚原子粒子在黑洞中的行为。

1960年一个广义相对论的修改版,成为Einstein-Cartan-Sciama-Kibble引力理论,将量子力学的效应考虑在内。它不仅向量子引力接近了一步,而且提供了宇宙的另一幅图景。这个广义相对论的变种将重要的量子性质——自旋考虑在内。粒子诸如原子和电子拥有自旋,或者叫内禀角动量,类比于冰面上旋转的溜冰者。

在这幅图景里,粒子的自旋与时空相互作用,赋予后者被称为“挠率(torsion)”的性质。为了理解扭曲,想象时空不是一张二维的画布,而是一个同样有弹性的一维的棍子。棍子的弯曲相当于时空的扭曲。如果棍子很细,你可以弯曲它,但很难看出它是否被弯曲。

时空扭曲只会在早期宇宙和黑洞中显著。在那些极端环境,时空挠率会表现成抵消时空曲率引起的引力的斥力。就像标准的广义相对论,大质量恒星最后会塌缩成黑洞:空间中光也无法逃出的区域。

下面是挠率如何上演出宇宙早期的场景。一开始,引力的吸引会克服挠率的斥力,使物质塌缩更小的时空区域。但后来挠率会变得很强,阻止物质被压缩成无穷密度的点;物质会达到极大但有限的密度。由于能量可以被转化成物质,非常高的引力能量在这种极致密的状态会导致剧烈的粒子产生,极大地增长了黑洞内部的质量。

带有自旋的粒子数量的增加会导致更大的时空挠率。排斥的挠率会停止塌缩,并且产生一个大反弹,就像向外弹出的沙滩球。这样大的反弹之后的迅速回绕就是我们现在的宇宙膨胀。这个回绕的结果和我们观察到的宇宙的形状,几何,质量分布符合。

反过来,挠率的机制暗示一个惊人的场景:每个黑洞内会产生一个新的婴儿宇宙。如果是这样的,我们的宇宙最初的物质来自其它地方。所以我们的宇宙可能存在于其它宇宙的内部。就像我们无法看到黑洞内的宇宙发生的事情,其它母宇宙的观测者无法看到我们宇宙发生的事情。

物质通过被称为“事件视界”的黑洞边界的运动,只可能以一个方向发生,这提供了我们感知的向前的时间方向。所以我们的宇宙的时间之箭通过母宇宙的挠率被继承下来。

[图注]Nikodem Poplawski展示“管子里的龙卷风”。

上面的瓶子代表黑洞,连接的瓶颈代表虫洞以及下面的瓶子代表刚刚形成的虫洞的另一边所正在长大的黑洞。

挠率也可以解释观察到的宇宙中物质和反物质的不平衡。由于挠率,物质会衰变成我们熟悉的电子和夸克,反物质会衰变成“暗物质”:不可见的物质形式,暗物质似乎可以解释宇宙中的大部分物质。

最后,挠率可能是“暗能量”,一种穿透所有空间以及加速宇宙膨胀的神秘能量形式。带有挠率的几何自然地产生一个“宇宙常数”,一种类似加上去的向外的力,最简单的解释暗能量的方式。所以,观察到的宇宙的加速膨胀成了挠率存在的最强证据。

所以挠率为一个所有黑洞内部变成一个新的宇宙的场景提供了理论基础。它似乎也可以修补目前宇宙学和引力理论的几个大问题。物理学家仍然需要完全将量子力学和Einstein-Cartan-Sciama-Kibble引力理论结合成一个量子引力理论。解决主要问题的同时,它带来了一些自己的问题。我们有多少层的母宇宙?我们如何验证我们的宇宙存在于一个黑洞里?

最后一个问题有可能会被研究:既然所有恒星和黑洞会旋转,我们的宇宙会继承母黑洞的旋转轴为一个“偏好方向”。最近有报道称来自超过15,000个星系的巡星的证据显示在宇宙的一个半球更多螺旋星系是顺时针旋转的,而另一个半球则是逆时针的。不管什么情况,我相信在时空几何中加入挠率是朝一个成功的宇宙学理论的正确的一步。

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