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所謂的宇宙大爆炸，那個空間、時間和物質一齊迸發存在的奇異瞬間，通常被視作宇宙的誕生時刻。但有沒有一種可能，那根本就不是開端，宇宙其實源自某種我們更熟悉、又比大爆炸更激進的事物呢？

今年5月，英國樸茨茅斯大學宇宙學和引力研究所的教授恩里克·加玆塔納加(Enrique Gaztanaga)與同事于《物理評論D》(

Physical Review D

我與同事將這一理論命名為“黑洞宇宙”(black hole universe)。它是對宇宙起源傳統觀點的顛覆，但完全基于已知的物理學原理和觀測事實。

當前以大爆炸和宇宙暴脹(即早期宇宙快速膨脹的理論)為基礎的標準宇宙學模型，在解釋宇宙結構和演化方面取得了巨大成功，但其局限性也無可爭議，始終未能回答某些最根本的問題。

首先，大爆炸模型以一個奇點，一個密度無限大、讓物理定律在此失效的點為起始。這種起始設定是我們在對宇宙起源一無所知的情況下“想象”出來的。

其次，為解釋宇宙的大尺度結構，物理學家向早期宇宙引入了一個短暫的快速膨脹階段，宇宙暴脹——由一種性質未知的神秘場驅動的存在。

后來，為解釋當前觀測到的宇宙加速膨脹現象，學界又添加另一神秘成分，暗能量。

簡而言之，標準宇宙學模型雖講得通故事，但其前提是不斷引入我們從未直接觀測到的新概念。

關于坍縮后再反彈膨脹的新模型

我們提出的新模型從另一個角度、以向內而非向外探索的方式來討論各種問題——不再從一個膨脹的宇宙出發并試圖追溯其起源，而是思考：當過度密集的物質集合體在引力作用下坍縮時，會發生什么事？

其實大家很熟悉這樣的坍縮過程，恒星就是這么坍縮成黑洞的，而黑洞是物理學中被研究最透徹的天體之一。但黑洞內部經歷著什么，仍是未解之謎。

1965年，英國物理學家羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)證明，在相當普遍的條件下，引力坍縮必然導致奇點。這一結論經已故英國物理學家斯蒂芬·霍金等人拓展后，支撐了“奇點不可避免”(正如大爆炸奇點)的觀點。

上述理論幫助彭羅斯贏得了2020年諾貝爾物理學獎，也曾啟發霍金的暢銷書《時間簡史：從大爆炸到黑洞》。

但我們必須了解：這些“奇點定理”都建立在描述普通宏觀物體的經典物理學基礎上；如果考慮量子力學效應(面對極端密度條件時必須考慮)，這個支配著原子和粒子微觀世界的理論可能顛覆經典框架下的情況。

我們的新論文證明了引力坍縮并不必然以奇點告終。

我們找到一個精確的數學解析解，無需任何近似處理。數學推導表明，當接近潛在的所謂奇點時，宇宙大小會隨宇宙時間呈雙曲函數變化。簡潔的數學解描述了物質坍縮云怎樣達到高密度狀態，然后反彈，向外反彈進入一個新的膨脹階段。

那問題來了，上述引入量子概念后得出的可能性，在彭羅斯基于經典物理學的定理中怎么被排除了呢？

關鍵就在于量子不相容原理。根據該原理，任何兩個相同的費米子，例如電子、質子等基本粒子，都無法占據完全相同的量子態，例如角動量或自旋態。

我們的工作表明，量子不相容原理可防止坍縮物質中的粒子被無限壓縮。其結果則是，坍縮過程會停止并逆轉。這種反彈不僅僅是一種可能情況，在適當條件下更是必然。

最重要的是，反彈完全發生在廣義相對論與量子力學基本原理的結合框架內，前者適用于恒星和星系等大尺度結構。我們無需引入任何奇異場、額外維度或未經證實的物理理論。

在反彈的另一端，會誕生一個與我們所在的宇宙無比相似的新宇宙。更驚人的是，反彈會自然產生兩個不同的加速膨脹階段——宇宙暴脹和暗能量。這些現象并非由某種假想的量子場驅動，而出于反彈過程本身的物理機制。

可驗證的預測，母宇宙里的宇宙

我們的黑洞宇宙模型有一大優勢，即能做出可驗證的預測。它預測宇宙存在微弱但不為零的正空間曲率，這意味著宇宙并不完全平坦，而是像地球表面一樣略微彎曲。

這種曲率是最初微小的過密度現象(over-density，觸發了坍縮)留下的遺跡。若未來通過觀測工作，比如正在開展的歐幾里得任務，證實該微小的正曲率，那將給予學界以強有力的提示——我們的宇宙或許確實源自一次反彈。此外，黑洞宇宙理論還對當前宇宙的膨脹速率作出了已經驗證的可靠預測。

黑洞宇宙模型不僅能解決標準宇宙學中的技術難題，還有望為我們理解早期宇宙的其他深層奧秘帶來全新啟發，例如超大質量黑洞的起源、暗物質的本質、星系的層級結構與演化過程。

上述種種謎團將由未來的太空探測任務，比如歐空局的Arrakihs任務來作探索。

Arrakihs計劃將會研究恒星暈和衛星星系等彌散特征。恒星暈是環繞星系的稀疏球狀結構，主要組分包括恒星和球狀星團；衛星星系是圍繞大型星系運行的小型星系。這些結構難以通過地球上的傳統望遠鏡觀測，但將幫助我們理解暗物質和星系演化。

這些現象或許還與坍縮階段形成并在反彈后遺存的致密天體(如黑洞)存有關聯。

關于我們在宇宙中的位置，黑洞宇宙理論提供了全新視角。根據該理論框架，我們的整個可觀測宇宙，都位于在某個更宏大的“母宇宙”(parent universe)里形成的某個黑洞內部。

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