在《星際穿越》這部電影中，主角庫珀從黑洞中逃脫，及時趕回見到即將離世的女兒穆菲。有些人認(rèn)為，這部電影科學(xué)性十足，應(yīng)該在學(xué)校里教授。然而，現(xiàn)實中許多科學(xué)家認(rèn)為任何被送入黑洞的東西都可能會被摧毀。但最新的研究表明，情況可能并非如此。
在對宇宙的理解上，20世紀(jì)充滿了驚喜。就在一百多年前，我們還以為銀河系是天空中所能看到的所有東西的家。我們以為宇宙是靜態(tài)的，不變的，也可能是永恒的，并受到牛頓萬有引力定律的統(tǒng)治。但在短短幾年的時間里，這一切都發(fā)生了巨大的變革。愛因斯坦的廣義相對論取代了牛頓的引力理論，解釋了物質(zhì)、能量和時空結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。根據(jù)他的方程，宇宙不可能是靜態(tài)的，而是隨著時間的推移而變化。這一觀念得到了宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)的證實。他的理論還預(yù)測了黑洞的存在，這些黑洞后來被觀察、探測，甚至被直接成像。所有這些發(fā)現(xiàn)提出了一個大膽的想法：我們的宇宙是否起源于一個黑洞？是否可能我們的宇宙是由一個在更大的母宇宙中形成的黑洞所產(chǎn)生的？每次新的黑洞產(chǎn)生時，都會誕生新的宇宙嗎？請同學(xué)們今天繼續(xù)跟著我的思路尋找答案。
有些科學(xué)家提出，在人類出現(xiàn)之前，地球、太陽的形成、星系的出現(xiàn)，甚至在光出現(xiàn)之前，都有一個事件，稱為大爆炸。這個事件發(fā)生在大約138億年前。但在那之前又是怎么樣的呢？許多物理學(xué)家認(rèn)為，在傳統(tǒng)意義上可能沒有“之前”。他們認(rèn)為，時間本身是與大爆炸同時開始的，而關(guān)于大爆炸之前的事情并不屬于科學(xué)探究的范疇。想要了解大爆炸之前的真實狀況，它是由什么組成的，或者為什么它會導(dǎo)致我們宇宙的創(chuàng)造，這些可能都超出了我們的理解能力和人類的認(rèn)知。但也有一些非傳統(tǒng)的科學(xué)家持不同的觀點。他們認(rèn)為，在大爆炸之前，宇宙早期的所有質(zhì)量和能量都被壓縮成了一個極其密集但有限的點。我們可以稱這個點為新宇宙的種子。據(jù)信，這個種子非常微小，可能比我們觀察到的任何粒子還要小數(shù)萬億倍。令人驚訝的是，這個微小的粒子可能觸發(fā)了其他所有粒子的創(chuàng)造，以及星系、太陽系、行星甚至生命的產(chǎn)生。有些人甚至將其比喻為所謂的希格斯玻色子。那么這個種子是如何產(chǎn)生的呢？
過去幾年，尤其是來自紐黑文大學(xué)的尼科登·帕洛斯基提出的一個想法是，我們宇宙的種子是在自然界最極端的環(huán)境中形成的，那就是黑洞內(nèi)部。這個觀點是，宇宙的種子就像植物的種子，是由一些基本材料組成的核心，被一個保護性的殼包裹起來。這與在黑洞內(nèi)部形成的東西非常相似。黑洞是大質(zhì)量恒星的遺跡。當(dāng)這樣的恒星耗盡其燃料時，其核心塌縮，引力變得極其強大，產(chǎn)生的溫度可達(dá)1000億度，原子瓦解，電子被撕裂成更小的片段。到這個階段，恒星已經(jīng)變成了一個黑洞，其引力如此強大，以至于連光都無法逃脫。在許多星系的中心，包括我們的銀河系，都發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量比太陽大數(shù)百萬倍的巨大黑洞。
如果我們應(yīng)用愛因斯坦的理論來理解一個黑洞的中心到底是什么，我們會得到一個無限密集、無限小的點。這個假設(shè)的概念被稱為奇點。但是，自然界中通常不會出現(xiàn)無窮大。這個問題來源于愛因斯坦的理論，盡管它很適用于宇宙的大部分，但在像黑洞內(nèi)部或宇宙誕生時的極端力量面前，該理論存在困難。有物理學(xué)家提議，黑洞內(nèi)部的物質(zhì)達(dá)到了一個壓縮的極限，無法被進(jìn)一步壓縮。這個核心可能非常微小，具有數(shù)十億太陽的質(zhì)量，但與奇點不同，它是真實存在的。
40多年前，斯蒂芬·霍金震驚了科學(xué)界，他揭示了黑洞并不像之前認(rèn)為的那樣完全是黑色的。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，一旦某物進(jìn)入黑洞，它應(yīng)該永遠(yuǎn)不會出來。然而，霍金證明，當(dāng)我們考慮到量子效應(yīng)，黑洞實際上會隨著時間發(fā)射輻射。挑戰(zhàn)是，對于宇宙中的大多數(shù)黑洞，這種輻射太微弱，無法用我們目前的技術(shù)檢測到。霍金的計算呈現(xiàn)了一個難題，當(dāng)黑洞發(fā)射輻射時，它會失去質(zhì)量，最終會蒸發(fā)，這導(dǎo)致了一個悖論，因為它暗示了掉入黑洞的信息最終會永遠(yuǎn)喪失。在量子力學(xué)的世界里，這違反了一個基本原則，即信息不能被創(chuàng)造或銷毀。另一個角度來看，霍金輻射對于黑洞的決定論提出了問題。決定論意味著宇宙在任何給定時間的狀態(tài)都是由它在任何其他時間的狀態(tài)唯一確定的，這就是我們?nèi)绾巫粉櫰涮煳暮蛿?shù)學(xué)的演變。這意味著，失去決定論可能是由于需要調(diào)和量子力學(xué)和愛因斯坦的引力理論，這是一個眾所周知的難題，也是許多物理學(xué)家的終極目標(biāo)。黑洞物理為任何潛在的量子引力理論提供了一個測試。
無論你的理論是什么，它都必須解釋記錄黑洞歷史的信息發(fā)生了什么。科學(xué)家們花了20年時間找到答案，他們提出，黑洞內(nèi)部的信息與它在二維空間中的表面積有關(guān)，而不是它在三維空間中的體積。這個想法可以通過量子引力來理解，這表明，三維空間可以從一個沒有引力的二維世界重建，就像一個全息圖一樣。不久之后，作為量子引力中最被探索的理論之一的弦論，也被發(fā)現(xiàn)具有全息性質(zhì)。利用全息技術(shù)，我們可以描述在沒有引力的二維世界中黑洞的蒸發(fā)過程，其中通常的量子力學(xué)規(guī)則適用。這個過程是決定性的，輻射中的微小缺陷編碼了黑洞的歷史。所以，全息告訴我們，信息在黑洞中并沒有喪失，但在霍金的原始論證中找到錯誤卻出奇地困難。
黑洞的一個決定性特征是事件視界的存在，這是一個邊界，對于它之外的物體和它之內(nèi)的物體講述了截然不同的故事。在黑洞的事件視界之外，任何物體都會經(jīng)歷其引力效應(yīng)，因為空間將被黑洞的存在彎曲，但如果它移動得足夠快，或者以適當(dāng)?shù)姆较蚩焖偌铀伲⒉灰欢〞羧牒诙?，而是可以擺脫其引力影響。當(dāng)一個物體穿越黑洞的事件視界時，它注定會被拉入黑洞的中心。在黑洞內(nèi)部，時空的曲率非常強烈，使得物體在穿過事件視界后很短的時間內(nèi)到達(dá)奇點。這個過程還增加了黑洞的質(zhì)量。對于事件視界外的觀察者來說，似乎黑洞正在形成，其質(zhì)量隨時間增長。但這一切與我們的宇宙有何關(guān)系？
如果我們要計算可觀測宇宙中所有不同類型的物質(zhì)和輻射，我們需要包括以下內(nèi)容：由質(zhì)子、中子和電子組成的普通物質(zhì)；與普通物質(zhì)很少相互作用的神秘粒子中微子；大部分構(gòu)成宇宙質(zhì)量但仍難以探測的暗物質(zhì)；從宇宙歷史中的每一次電磁事件中傳遞能量的光子；由物體在時空彎曲結(jié)構(gòu)中移動和加速時產(chǎn)生的引力波。我們的儀器能夠探測到大約460億光年以外的物體。通過匯總這些不同形式的物質(zhì)和輻射的所有能量，我們可以使用愛因斯坦著名的等式E=mc^2來確定宇宙的等效質(zhì)量。接下來，你可能會好奇，如果整個宇宙被壓縮成一個點會怎么樣？答案與你將大量質(zhì)量或能量壓縮到一個微小點時的情況相同：它會形成一個黑洞。
根據(jù)愛因斯坦的引力理論，如果這些質(zhì)量或能量的集合沒有電荷并且不旋轉(zhuǎn)，即沒有角動量，那么黑洞的大小僅由其總質(zhì)量決定。這個大小被稱為黑洞的'史瓦西半徑'。令人驚訝的是，一個具有可觀測宇宙中所有物質(zhì)質(zhì)量的黑洞的史瓦西半徑，幾乎與可見宇宙本身的大小相同。這種觀察似乎是一個非凡的巧合，提出了一個有趣的可能性：我們的宇宙可能在某種意義上存在于一個黑洞的內(nèi)部。
但這只是故事的開始。更深入地探討，情況變得更為有趣。在20世紀(jì)60年代中期，一個開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)改變了我們對宇宙的理解?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)了來自天空各個方向的恒定且均勻的低能量輻射。這種輻射在所有方向上的溫度都相同，約為2.725K，僅比絕對零度高出幾度。它有著與熱物體，例如完美的黑體，類似的光譜，并且無論你在天空中從哪個位置觀察，它看起來都一樣，只有微小的變化。這種輻射最初被稱為“原始火球”，現(xiàn)在被稱為宇宙微波背景輻射。它為我們提供了關(guān)鍵證據(jù)，表明我們的宇宙正在擴張和冷卻，因為在過去，它曾經(jīng)更熱、更密集。
我們?nèi)绻酵^去看，宇宙就越小，越統(tǒng)一，也越緊湊。追溯到最開始，這種“熾熱的大爆炸”似乎正逼近一個奇點，與黑洞中心發(fā)現(xiàn)的極端條件相似，這是物理學(xué)正常定律崩潰的地方。
當(dāng)你觀察黑洞的工作原理時，有些事情顯得相當(dāng)吸引人。想象一下，你剛剛在黑洞的邊界，即事件視界之外，然后你遠(yuǎn)離黑洞。你與黑洞的距離，表示為R，從史瓦西半徑R增加到無窮。另一方面，如果你已經(jīng)在事件視界內(nèi)部，你測量你與黑洞到其中心的距離，你的R值從史瓦西半徑R變?yōu)榱恪?o:p>
為什么這很重要？因為當(dāng)你比較事件視界外部的空間特性（從R到無窮）與其內(nèi)部（從R到零）時，你會發(fā)現(xiàn)它們在每個位置都完全相同。通過一個簡單的變化，使用R的倒數(shù)，即1/R，你會意識到黑洞的內(nèi)部在數(shù)學(xué)上與外部完全相同。
可以這樣理解：黑洞就像一個帶有特殊邊界的神秘房間。如果你正好在房間外面，并從它移開，你會注意到與房間的距離從一個特定點增加到無窮大，這個點類似于史瓦西半徑?，F(xiàn)在想象你在這個房間內(nèi)部，你想測量到它中心的距離，在這種情況下，你的距離從那個特定點減少到零。值得注意的是，當(dāng)你比較從特定點到零在房間內(nèi)部發(fā)生的情況與從特定點到無窮大在房間外部發(fā)生的情況時，你會發(fā)現(xiàn)它們在每個位置上都是一樣的。這就好像房間的內(nèi)部和外部在數(shù)學(xué)上是無法區(qū)分的，正如黑洞的內(nèi)部和外部在某種程度上行為類似。
過去幾十年，我們對宇宙的理解得到了提高，兩個重大發(fā)現(xiàn)重塑了宇宙學(xué)。首先是宇宙膨脹，這表明宇宙并非起源于一個奇點，而是開始于一個快速、連續(xù)的擴張。你可以把它看作是由空間本身固有的某種能量驅(qū)動的恒定和快速的增長階段。這種膨脹發(fā)生在熱大爆炸階段開始之前。第二個發(fā)現(xiàn)是暗能量。隨著宇宙的擴張和變得越來越稀薄，遙遠(yuǎn)的星系開始以加速的速度從我們這里遠(yuǎn)離，這使宇宙表現(xiàn)得好像存在某種不會隨著空間的擴張而稀釋的固有空間能量。自從膨脹和暗能量都存在以來，人們就一直在猜測它們之間可能存在的聯(lián)系。
再次，黑洞或許握有答案。當(dāng)物質(zhì)掉入黑洞時，黑洞會增加質(zhì)量，并通過霍金輻射損失質(zhì)量。是否可能事件視界的大小變化會影響編織在空間結(jié)構(gòu)中的能量？對于在事件視界內(nèi)部的觀察者，我們所感知的宇宙膨脹是否意味著我們的宇宙是從一個極其龐大的黑洞中誕生的？暗能量和黑洞之間是否存在聯(lián)系？這是否意味著，當(dāng)天體物理學(xué)的黑洞在我們的宇宙中形成時，每一個可能都會產(chǎn)生其自己的宇宙？
這些想法存在已久，但還沒有確鑿的答案。盡管如此，關(guān)于這一議題，仍有眾多的模型和概念在流傳，對于那些研究黑洞、熱力學(xué)、熵、廣義相對論以及宇宙的起源和命運的人來說，這條探索之路仍然是令人著迷的。遺憾的是，到目前為止提出的所有物理模型都還未滿足三個關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：它們既沒有復(fù)制膨脹熱大爆炸理論的所有已知成功，也沒有解釋或解答當(dāng)前主流理論無法解釋的現(xiàn)象，并且也沒有做出與當(dāng)前主流模型不同的新預(yù)測，以供我們測試。
其中一個著名的嘗試是羅杰·彭羅斯的共形循環(huán)宇宙學(xué)，它確實對標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型做出了一個獨特的預(yù)測——霍金點的存在，或者說在宇宙微波背景中有異常溫度變化的區(qū)域。但遺憾的是，這些特征在數(shù)據(jù)中并沒有一直出現(xiàn)，這使得我們的宇宙是否起源于黑洞，以及黑洞是否能夠創(chuàng)造新的宇宙仍然是一個推測的領(lǐng)域。
盡管如此，從物理和數(shù)學(xué)的角度看，黑洞與宇宙的誕生之間存在聯(lián)系這一想法仍然很有吸引力。有可能我們的宇宙的誕生與前一個宇宙中的一個巨大的黑洞有關(guān)，也有可能我們宇宙中每一個創(chuàng)造的黑洞都會產(chǎn)生一個新的宇宙。然而，現(xiàn)在還缺少一個可以明確證實或否定這一想法的特征。對于理論物理學(xué)家來說，這是一個巨大的挑戰(zhàn)，找到我們可觀察宇宙中的證據(jù)，使這個新想法與我們現(xiàn)有的理論區(qū)別開來。直到我們實現(xiàn)這個突破，這些概念可能仍然只是推測性的假說。盡管我們不能確定我們的宇宙是否起源于黑洞的創(chuàng)造，但這仍然是一個我們在這個階段不應(yīng)該輕易忽視的有趣可能性。
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