設(shè)置星標(biāo) 關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

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

今年5月，英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)宇宙學(xué)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(píng)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(duì)宇宙起源傳統(tǒng)觀點(diǎn)的顛覆，但完全基于已知的物理學(xué)原理和觀測(cè)事實(shí)。

當(dāng)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(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，在解釋宇宙結(jié)構(gòu)和演化方面取得了巨大成功，但其局限性也無(wú)可爭(zhēng)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(gè)奇點(diǎn)，一個(gè)密度無(wú)限大、讓物理定律在此失效的點(diǎn)為起始。這種起始設(shè)定是我們?cè)趯?duì)宇宙起源一無(wú)所知的情況下“想象”出來(lái)的。

其次，為解釋宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，物理學(xué)家向早期宇宙引入了一個(gè)短暫的快速膨脹階段，宇宙暴脹——由一種性質(zhì)未知的神秘場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的存在。

后來(lái)，為解釋當(dāng)前觀測(cè)到的宇宙加速膨脹現(xiàn)象，學(xué)界又添加另一神秘成分，暗能量。

簡(jiǎn)而言之，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)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(cè)到的新概念。

關(guān)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(gè)角度、以向內(nèi)而非向外探索的方式來(lái)討論各種問題——不再?gòu)囊粋€(gè)膨脹的宇宙出發(fā)并試圖追溯其起源，而是思考：當(dāng)過(guò)度密集的物質(zhì)集合體在引力作用下坍縮時(shí)，會(huì)發(fā)生什么事？

其實(shí)大家很熟悉這樣的坍縮過(guò)程，恒星就是這么坍縮成黑洞的，而黑洞是物理學(xué)中被研究最透徹的天體之一。但黑洞內(nèi)部經(jīng)歷著什么，仍是未解之謎。

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

上述理論幫助彭羅斯贏得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也曾啟發(fā)霍金的暢銷書《時(shí)間簡(jiǎn)史：從大爆炸到黑洞》。

但我們必須了解：這些“奇點(diǎn)定理”都建立在描述普通宏觀物體的經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上；如果考慮量子力學(xué)效應(yīng)(面對(duì)極端密度條件時(shí)必須考慮)，這個(gè)支配著原子和粒子微觀世界的理論可能顛覆經(jīng)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(diǎn)告終。

我們找到一個(gè)精確的數(shù)學(xué)解析解，無(wú)需任何近似處理。數(shù)學(xué)推導(dǎo)表明，當(dāng)接近潛在的所謂奇點(diǎn)時(shí)，宇宙大小會(huì)隨宇宙時(shí)間呈雙曲函數(shù)變化。簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)解描述了物質(zhì)坍縮云怎樣達(dá)到高密度狀態(tài)，然后反彈，向外反彈進(jìn)入一個(gè)新的膨脹階段。

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

關(guān)鍵就在于量子不相容原理。根據(jù)該原理，任何兩個(gè)相同的費(fèi)米子，例如電子、質(zhì)子等基本粒子，都無(wú)法占據(jù)完全相同的量子態(tài)，例如角動(dòng)量或自旋態(tài)。

我們的工作表明，量子不相容原理可防止坍縮物質(zhì)中的粒子被無(wú)限壓縮。其結(jié)果則是，坍縮過(guò)程會(huì)停止并逆轉(zhuǎn)。這種反彈不僅僅是一種可能情況，在適當(dāng)條件下更是必然。

最重要的是，反彈完全發(fā)生在廣義相對(duì)論與量子力學(xué)基本原理的結(jié)合框架內(nèi)，前者適用于恒星和星系等大尺度結(jié)構(gòu)。我們無(wú)需引入任何奇異場(chǎng)、額外維度或未經(jīng)證實(shí)的物理理論。

在反彈的另一端，會(huì)誕生一個(gè)與我們所在的宇宙無(wú)比相似的新宇宙。更驚人的是，反彈會(huì)自然產(chǎn)生兩個(gè)不同的加速膨脹階段——宇宙暴脹和暗能量。這些現(xiàn)象并非由某種假想的量子場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，而出于反彈過(guò)程本身的物理機(jī)制。

可驗(yàn)證的預(yù)測(cè)，母宇宙里的宇宙

我們的黑洞宇宙模型有一大優(yōu)勢(shì)，即能做出可驗(yàn)證的預(yù)測(cè)。它預(yù)測(cè)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(guò)密度現(xiàn)象(over-density，觸發(fā)了坍縮)留下的遺跡。若未來(lái)通過(guò)觀測(cè)工作，比如正在開展的歐幾里得任務(wù)，證實(shí)該微小的正曲率，那將給予學(xué)界以強(qiáng)有力的提示——我們的宇宙或許確實(shí)源自一次反彈。此外，黑洞宇宙理論還對(duì)當(dāng)前宇宙的膨脹速率作出了已經(jīng)驗(yàn)證的可靠預(yù)測(cè)。

黑洞宇宙模型不僅能解決標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)中的技術(shù)難題，還有望為我們理解早期宇宙的其他深層奧秘帶來(lái)全新啟發(fā)，例如超大質(zhì)量黑洞的起源、暗物質(zhì)的本質(zhì)、星系的層級(jí)結(jié)構(gòu)與演化過(guò)程。

上述種種謎團(tuán)將由未來(lái)的太空探測(cè)任務(wù)，比如歐空局的Arrakihs任務(wù)來(lái)作探索。

Arrakihs計(jì)劃將會(huì)研究恒星暈和衛(wèi)星星系等彌散特征。恒星暈是環(huán)繞星系的稀疏球狀結(jié)構(gòu)，主要組分包括恒星和球狀星團(tuán)；衛(wèi)星星系是圍繞大型星系運(yùn)行的小型星系。這些結(jié)構(gòu)難以通過(guò)地球上的傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，但將幫助我們理解暗物質(zhì)和星系演化。

這些現(xiàn)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(guān)聯(lián)。

關(guān)于我們?cè)谟钪嬷械奈恢?，黑洞宇宙理論提供了全新視角。根?jù)該理論框架，我們的整個(gè)可觀測(cè)宇宙，都位于在某個(gè)更宏大的“母宇宙”(parent universe)里形成的某個(gè)黑洞內(nèi)部。

資料來(lái)源：

《世界科學(xué)》雜志版在售中 歡迎訂閱

月刊定價(jià)

15元/期

全年訂閱價(jià)

180元

點(diǎn)擊左側(cè)圖片或以下方訂閱方式選購(gòu)

方式一：

掃描二維碼，“雜志鋪”訂閱有折扣～

方式二：

全國(guó)各地郵局訂閱 郵發(fā)代號(hào)：4-263

方式三：

機(jī)構(gòu)訂閱，請(qǐng)撥打

021-53300839；

021-53300838