大爆炸常被描述為宇宙的爆炸性誕生 —— 空間、時(shí)間和物質(zhì)在那一刻瞬間涌現(xiàn)的奇點(diǎn)時(shí)刻。

但如果這根本不是開(kāi)始呢？如果我們的宇宙是從別的東西 —— 某種既更熟悉又更激進(jìn)的事物 —— 中涌現(xiàn)出來(lái)的呢？

在發(fā)表于《物理評(píng)論D》的一篇新論文中，科學(xué)家提出了一個(gè)引人注目的替代理論。他們的計(jì)算表明，大爆炸并非萬(wàn)物的起點(diǎn)，而是一次形成超大質(zhì)量黑洞的引力坍縮（或稱內(nèi)爆） —— 及其隨后在黑洞內(nèi)部發(fā)生的反彈 —— 的結(jié)果。

這個(gè)我們稱之為“黑洞宇宙”的想法，為宇宙起源提供了一個(gè)根本不同的視角，但其基礎(chǔ)完全建立在已知的物理學(xué)原理和觀測(cè)事實(shí)之上。

當(dāng)今基于大爆炸和宇宙暴脹（即早期宇宙在尺寸上急速膨脹的觀點(diǎn)）的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，在解釋宇宙的結(jié)構(gòu)和演化方面取得了顯著成功。但這需要付出代價(jià)：它留下了一些最根本的問(wèn)題未能解答。

首先，大爆炸模型始于一個(gè)奇點(diǎn) —— 一個(gè)物理定律失效、密度無(wú)限大的點(diǎn)。這不僅是個(gè)技術(shù)性缺陷；更是個(gè)深層的理論問(wèn)題，暗示著我們其實(shí)根本未能理解開(kāi)端。

為了解釋宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，物理學(xué)家在早期宇宙中引入了一個(gè)由具有奇特性質(zhì)的未知場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的、短暫的急速膨脹階段，稱為宇宙暴脹。之后，為了解釋當(dāng)今觀測(cè)到的加速膨脹，他們又添加了另一個(gè)“神秘”成分：暗能量。

簡(jiǎn)言之，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型運(yùn)作良好 —— 但前提是引入我們從未直接觀測(cè)到的新成分。與此同時(shí)，最根本的問(wèn)題依然懸而未決：萬(wàn)物從何而來(lái)？為何以此方式開(kāi)始？宇宙為何如此平坦、均勻且廣袤？

新模型

科學(xué)家們的新模型從一個(gè)不同的角度來(lái)處理這些問(wèn)題 —— 向內(nèi)審視而非向外探索。我們不是從一個(gè)膨脹的宇宙開(kāi)始并試圖追溯其起源，而是思考當(dāng)一個(gè)過(guò)度致密的物質(zhì)集合體在引力作用下坍縮時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

這是一個(gè)熟悉的過(guò)程：恒星坍縮成黑洞，而黑洞是物理學(xué)中最被充分理解的天體之一。但在黑洞內(nèi)部、越過(guò)任何事物都無(wú)法逃脫的事件視界之后發(fā)生了什么，仍然是個(gè)謎。

1965年，英國(guó)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯證明，在非常普遍的條件下，引力坍縮必然導(dǎo)致奇點(diǎn)。這一結(jié)果由已故英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬·霍金等人推廣，奠定了奇點(diǎn) —— 如大爆炸奇點(diǎn) —— 不可避免的觀點(diǎn)基礎(chǔ)。

這一觀點(diǎn)幫助彭羅斯贏得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的部分獎(jiǎng)項(xiàng)，并啟發(fā)了霍金的全球暢銷書《時(shí)間簡(jiǎn)史：從大爆炸到黑洞》。

但有一個(gè)警告。這些“奇點(diǎn)定理”依賴于描述普通宏觀物體的“經(jīng)典物理學(xué)”。如果我們必須考慮在極端密度下統(tǒng)治原子和粒子微觀世界的量子力學(xué)效應(yīng)，故事可能會(huì)改變。

在科學(xué)家們的新論文中，他們證明了引力坍縮不一定以奇點(diǎn)告終。他們找到了一個(gè)精確的解析解 —— 一個(gè)無(wú)需近似的數(shù)學(xué)結(jié)果。他們的數(shù)學(xué)表明，當(dāng)他們接近潛在的奇點(diǎn)時(shí)，宇宙的尺寸會(huì)隨著宇宙時(shí)間呈（雙曲）函數(shù)變化。

這個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)解描述了一個(gè)坍縮的物質(zhì)云如何能夠達(dá)到高密度狀態(tài)，然后反彈，向外回彈進(jìn)入一個(gè)新的膨脹階段。

但彭羅斯的定理為何會(huì)排除這種結(jié)果呢？這都?xì)w因于一條稱為量子不相容原理的規(guī)則，該原理指出，沒(méi)有兩個(gè)被稱為費(fèi)米子的全同粒子可以占據(jù)相同的量子態(tài)（例如角動(dòng)量或“自旋”）。

他們證明，這條規(guī)則阻止了坍縮物質(zhì)中的粒子被無(wú)限擠壓。結(jié)果，坍縮停止并逆轉(zhuǎn)。反彈不僅是可能的 —— 在適當(dāng)?shù)臈l件下，它是不可避免的。

至關(guān)重要的是，這種反彈完全發(fā)生在廣義相對(duì)論（適用于恒星和星系等大尺度結(jié)構(gòu)）的框架內(nèi)，并結(jié)合了量子力學(xué)的基本原理 —— 無(wú)需引入奇異場(chǎng)、額外維度或推測(cè)性的物理學(xué)。

在反彈的另一面誕生的，是一個(gè)與我們宇宙驚人相似的宇宙。更令人驚訝的是，反彈自然產(chǎn)生了兩個(gè)獨(dú)立的加速膨脹階段 —— 暴脹和暗能量 —— 它們并非由假想場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，而是由反彈本身的物理機(jī)制所驅(qū)動(dòng)。

可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)

該模型的優(yōu)勢(shì)之一在于它做出了可檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)。它預(yù)測(cè)宇宙存在微小但非零的正空間曲率 —— 意味著宇宙并非絕對(duì)平坦，而是略微彎曲的，就像地球表面一樣。

這僅僅是引發(fā)坍縮的初始微小密度過(guò)高的遺跡。如果未來(lái)的觀測(cè)（例如正在進(jìn)行中的歐幾里得任務(wù)）確認(rèn)了微小的正曲率，這將強(qiáng)烈暗示我們的宇宙確實(shí)源自這樣一次反彈。該模型還對(duì)當(dāng)前宇宙的膨脹速率做出了預(yù)測(cè)，這一點(diǎn)已被驗(yàn)證。

這個(gè)模型所做的不僅僅是解決標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的技術(shù)問(wèn)題。它還可能為我們理解早期宇宙的其他深?yuàn)W謎團(tuán)帶來(lái)新的曙光 —— 例如超大質(zhì)量黑洞的起源、暗物質(zhì)的本質(zhì)，或者星系的分級(jí)形成與演化。

未來(lái)的太空任務(wù)（如Arrakhis）將探索這些問(wèn)題。Arrakhis將研究彌散特征，例如恒星暈（圍繞星系由恒星和球狀星團(tuán)組成的球狀結(jié)構(gòu)）和衛(wèi)星星系（圍繞較大星系運(yùn)行的較小星系），這些特征很難用地球上的傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到，并將幫助我們理解暗物質(zhì)和星系演化。

這些現(xiàn)象也可能與在坍縮階段形成并在反彈中幸存下來(lái)的遺跡致密天體（如黑洞）有關(guān)。

黑洞宇宙：新視角

黑洞宇宙模型還為我們理解自身在宇宙中的位置提供了新的視角。在這個(gè)框架下，我們整個(gè)可觀測(cè)宇宙都位于某個(gè)更大的“母”宇宙中形成的黑洞內(nèi)部。

我們并非特殊的存在，就如同在伽利略（16-17世紀(jì)提出地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的天文學(xué)家）曾因此被軟禁的地心說(shuō)世界觀中，地球并不特殊一樣。

我們目睹的并非萬(wàn)物從無(wú)到有的誕生，而是一個(gè)宇宙輪回的延續(xù) —— 這個(gè)輪回由引力、量子力學(xué)以及它們之間深刻的關(guān)聯(lián)所塑造。

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