在《星际穿越》这部电影中，主角库珀从黑洞中逃脱，及时赶回见到即将离世的女儿穆菲。有些人认为，这部电影科学性十足，应该在学校里教授。然而，现实中许多科学家认为任何被送入黑洞的东西都可能会被摧毁。但最新的研究表明，情况可能并非如此。
在对宇宙的理解上，20世纪充满了惊喜。就在一百多年前，我们还以为银河系是天空中所能看到的所有东西的家。我们以为宇宙是静态的，不变的，也可能是永恒的，并受到牛顿万有引力定律的统治。但在短短几年的时间里，这一切都发生了巨大的变革。爱因斯坦的广义相对论取代了牛顿的引力理论，解释了物质、能量和时空结构之间的联系。根据他的方程，宇宙不可能是静态的，而是随着时间的推移而变化。这一观念得到了宇宙膨胀的发现的证实。他的理论还预测了黑洞的存在，这些黑洞后来被观察、探测，甚至被直接成像。所有这些发现提出了一个大胆的想法：我们的宇宙是否起源于一个黑洞？是否可能我们的宇宙是由一个在更大的母宇宙中形成的黑洞所产生的？每次新的黑洞产生时，都会诞生新的宇宙吗？请同学们今天继续跟着我的思路寻找答案。
有些科学家提出，在人类出现之前，地球、太阳的形成、星系的出现，甚至在光出现之前，都有一个事件，称为大爆炸。这个事件发生在大约138亿年前。但在那之前又是怎么样的呢？许多物理学家认为，在传统意义上可能没有“之前”。他们认为，时间本身是与大爆炸同时开始的，而关于大爆炸之前的事情并不属于科学探究的范畴。想要了解大爆炸之前的真实状况，它是由什么组成的，或者为什么它会导致我们宇宙的创造，这些可能都超出了我们的理解能力和人类的认知。但也有一些非传统的科学家持不同的观点。他们认为，在大爆炸之前，宇宙早期的所有质量和能量都被压缩成了一个极其密集但有限的点。我们可以称这个点为新宇宙的种子。据信，这个种子非常微小，可能比我们观察到的任何粒子还要小数万亿倍。令人惊讶的是，这个微小的粒子可能触发了其他所有粒子的创造，以及星系、太阳系、行星甚至生命的产生。有些人甚至将其比喻为所谓的希格斯玻色子。那么这个种子是如何产生的呢？
过去几年，尤其是来自纽黑文大学的尼科登·帕洛斯基提出的一个想法是，我们宇宙的种子是在自然界最极端的环境中形成的，那就是黑洞内部。这个观点是，宇宙的种子就像植物的种子，是由一些基本材料组成的核心，被一个保护性的壳包裹起来。这与在黑洞内部形成的东西非常相似。黑洞是大质量恒星的遗迹。当这样的恒星耗尽其燃料时，其核心塌缩，引力变得极其强大，产生的温度可达1000亿度，原子瓦解，电子被撕裂成更小的片段。到这个阶段，恒星已经变成了一个黑洞，其引力如此强大，以至于连光都无法逃脱。在许多星系的中心，包括我们的银河系，都发现了质量比太阳大数百万倍的巨大黑洞。
如果我们应用爱因斯坦的理论来理解一个黑洞的中心到底是什么，我们会得到一个无限密集、无限小的点。这个假设的概念被称为奇点。但是，自然界中通常不会出现无穷大。这个问题来源于爱因斯坦的理论，尽管它很适用于宇宙的大部分，但在像黑洞内部或宇宙诞生时的极端力量面前，该理论存在困难。有物理学家提议，黑洞内部的物质达到了一个压缩的极限，无法被进一步压缩。这个核心可能非常微小，具有数十亿太阳的质量，但与奇点不同，它是真实存在的。
40多年前，斯蒂芬·霍金震惊了科学界，他揭示了黑洞并不像之前认为的那样完全是黑色的。根据经典物理学，一旦某物进入黑洞，它应该永远不会出来。然而，霍金证明，当我们考虑到量子效应，黑洞实际上会随着时间发射辐射。挑战是，对于宇宙中的大多数黑洞，这种辐射太微弱，无法用我们目前的技术检测到。霍金的计算呈现了一个难题，当黑洞发射辐射时，它会失去质量，最终会蒸发，这导致了一个悖论，因为它暗示了掉入黑洞的信息最终会永远丧失。在量子力学的世界里，这违反了一个基本原则，即信息不能被创造或销毁。另一个角度来看，霍金辐射对于黑洞的决定论提出了问题。决定论意味着宇宙在任何给定时间的状态都是由它在任何其他时间的状态唯一确定的，这就是我们如何追踪其天文和数学的演变。这意味着，失去决定论可能是由于需要调和量子力学和爱因斯坦的引力理论，这是一个众所周知的难题，也是许多物理学家的终极目标。黑洞物理为任何潜在的量子引力理论提供了一个测试。
无论你的理论是什么，它都必须解释记录黑洞历史的信息发生了什么。科学家们花了20年时间找到答案，他们提出，黑洞内部的信息与它在二维空间中的表面积有关，而不是它在三维空间中的体积。这个想法可以通过量子引力来理解，这表明，三维空间可以从一个没有引力的二维世界重建，就像一个全息图一样。不久之后，作为量子引力中最被探索的理论之一的弦论，也被发现具有全息性质。利用全息技术，我们可以描述在没有引力的二维世界中黑洞的蒸发过程，其中通常的量子力学规则适用。这个过程是决定性的，辐射中的微小缺陷编码了黑洞的历史。所以，全息告诉我们，信息在黑洞中并没有丧失，但在霍金的原始论证中找到错误却出奇地困难。
黑洞的一个决定性特征是事件视界的存在，这是一个边界，对于它之外的物体和它之内的物体讲述了截然不同的故事。在黑洞的事件视界之外，任何物体都会经历其引力效应，因为空间将被黑洞的存在弯曲，但如果它移动得足够快，或者以适当的方向快速加速，它并不一定会掉入黑洞，而是可以摆脱其引力影响。当一个物体穿越黑洞的事件视界时，它注定会被拉入黑洞的中心。在黑洞内部，时空的曲率非常强烈，使得物体在穿过事件视界后很短的时间内到达奇点。这个过程还增加了黑洞的质量。对于事件视界外的观察者来说，似乎黑洞正在形成，其质量随时间增长。但这一切与我们的宇宙有何关系？
如果我们要计算可观测宇宙中所有不同类型的物质和辐射，我们需要包括以下内容：由质子、中子和电子组成的普通物质；与普通物质很少相互作用的神秘粒子中微子；大部分构成宇宙质量但仍难以探测的暗物质；从宇宙历史中的每一次电磁事件中传递能量的光子；由物体在时空弯曲结构中移动和加速时产生的引力波。我们的仪器能够探测到大约460亿光年以外的物体。通过汇总这些不同形式的物质和辐射的所有能量，我们可以使用爱因斯坦著名的等式E=mc^2来确定宇宙的等效质量。接下来，你可能会好奇，如果整个宇宙被压缩成一个点会怎么样？答案与你将大量质量或能量压缩到一个微小点时的情况相同：它会形成一个黑洞。
根据爱因斯坦的引力理论，如果这些质量或能量的集合没有电荷并且不旋转，即没有角动量，那么黑洞的大小仅由其总质量决定。这个大小被称为黑洞的'史瓦西半径'。令人惊讶的是，一个具有可观测宇宙中所有物质质量的黑洞的史瓦西半径，几乎与可见宇宙本身的大小相同。这种观察似乎是一个非凡的巧合，提出了一个有趣的可能性：我们的宇宙可能在某种意义上存在于一个黑洞的内部。
但这只是故事的开始。更深入地探讨，情况变得更为有趣。在20世纪60年代中期，一个开创性的发现改变了我们对宇宙的理解。科学家们发现了来自天空各个方向的恒定且均匀的低能量辐射。这种辐射在所有方向上的温度都相同，约为2.725K，仅比绝对零度高出几度。它有着与热物体，例如完美的黑体，类似的光谱，并且无论你在天空中从哪个位置观察，它看起来都一样，只有微小的变化。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。它为我们提供了关键证据，表明我们的宇宙正在扩张和冷却，因为在过去，它曾经更热、更密集。
我们如果越往过去看，宇宙就越小，越统一，也越紧凑。追溯到最开始，这种“炽热的大爆炸”似乎正逼近一个奇点，与黑洞中心发现的极端条件相似，这是物理学正常定律崩溃的地方。
当你观察黑洞的工作原理时，有些事情显得相当吸引人。想象一下，你刚刚在黑洞的边界，即事件视界之外，然后你远离黑洞。你与黑洞的距离，表示为R，从史瓦西半径R增加到无穷。另一方面，如果你已经在事件视界内部，你测量你与黑洞到其中心的距离，你的R值从史瓦西半径R变为零。
为什么这很重要？因为当你比较事件视界外部的空间特性（从R到无穷）与其内部（从R到零）时，你会发现它们在每个位置都完全相同。通过一个简单的变化，使用R的倒数，即1/R，你会意识到黑洞的内部在数学上与外部完全相同。
可以这样理解：黑洞就像一个带有特殊边界的神秘房间。如果你正好在房间外面，并从它移开，你会注意到与房间的距离从一个特定点增加到无穷大，这个点类似于史瓦西半径。现在想象你在这个房间内部，你想测量到它中心的距离，在这种情况下，你的距离从那个特定点减少到零。值得注意的是，当你比较从特定点到零在房间内部发生的情况与从特定点到无穷大在房间外部发生的情况时，你会发现它们在每个位置上都是一样的。这就好像房间的内部和外部在数学上是无法区分的，正如黑洞的内部和外部在某种程度上行为类似。
过去几十年，我们对宇宙的理解得到了提高，两个重大发现重塑了宇宙学。首先是宇宙膨胀，这表明宇宙并非起源于一个奇点，而是开始于一个快速、连续的扩张。你可以把它看作是由空间本身固有的某种能量驱动的恒定和快速的增长阶段。这种膨胀发生在热大爆炸阶段开始之前。第二个发现是暗能量。随着宇宙的扩张和变得越来越稀薄，遥远的星系开始以加速的速度从我们这里远离，这使宇宙表现得好像存在某种不会随着空间的扩张而稀释的固有空间能量。自从膨胀和暗能量都存在以来，人们就一直在猜测它们之间可能存在的联系。
再次，黑洞或许握有答案。当物质掉入黑洞时，黑洞会增加质量，并通过霍金辐射损失质量。是否可能事件视界的大小变化会影响编织在空间结构中的能量？对于在事件视界内部的观察者，我们所感知的宇宙膨胀是否意味着我们的宇宙是从一个极其庞大的黑洞中诞生的？暗能量和黑洞之间是否存在联系？这是否意味着，当天体物理学的黑洞在我们的宇宙中形成时，每一个可能都会产生其自己的宇宙？
这些想法存在已久，但还没有确凿的答案。尽管如此，关于这一议题，仍有众多的模型和概念在流传，对于那些研究黑洞、热力学、熵、广义相对论以及宇宙的起源和命运的人来说，这条探索之路仍然是令人着迷的。遗憾的是，到目前为止提出的所有物理模型都还未满足三个关键标准：它们既没有复制膨胀热大爆炸理论的所有已知成功，也没有解释或解答当前主流理论无法解释的现象，并且也没有做出与当前主流模型不同的新预测，以供我们测试。
其中一个著名的尝试是罗杰·彭罗斯的共形循环宇宙学，它确实对标准宇宙学模型做出了一个独特的预测——霍金点的存在，或者说在宇宙微波背景中有异常温度变化的区域。但遗憾的是，这些特征在数据中并没有一直出现，这使得我们的宇宙是否起源于黑洞，以及黑洞是否能够创造新的宇宙仍然是一个推测的领域。
尽管如此，从物理和数学的角度看，黑洞与宇宙的诞生之间存在联系这一想法仍然很有吸引力。有可能我们的宇宙的诞生与前一个宇宙中的一个巨大的黑洞有关，也有可能我们宇宙中每一个创造的黑洞都会产生一个新的宇宙。然而，现在还缺少一个可以明确证实或否定这一想法的特征。对于理论物理学家来说，这是一个巨大的挑战，找到我们可观察宇宙中的证据，使这个新想法与我们现有的理论区别开来。直到我们实现这个突破，这些概念可能仍然只是推测性的假说。尽管我们不能确定我们的宇宙是否起源于黑洞的创造，但这仍然是一个我们在这个阶段不应该轻易忽视的有趣可能性。
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