新理論認(rèn)為，大爆炸可能不是一切的開(kāi)始

這Big Bang通常被描述為宇宙的爆炸性誕生——空間、時(shí)間和物質(zhì)誕生的單一時(shí)刻。

但是，如果這根本不是開(kāi)始呢？如果我們的宇宙是從其他東西中出現(xiàn)的——同時(shí)又更熟悉、更激進(jìn)的東西呢？

在一篇新論文中，發(fā)表于 Physical Review D，我和我的同事們提出了一個(gè)引人注目的替代方案。我們的計(jì)算表明，大爆炸并不是一切的開(kāi)始，而是引力緊縮或坍縮的結(jié)果，形成了一個(gè)非常大的質(zhì)量黑洞– 然后是內(nèi)部的反彈。

這個(gè)我們稱(chēng)之為黑洞宇宙的想法，對(duì)宇宙起源提出了截然不同的看法，但它完全基于已知的物理學(xué)和觀測(cè)。

今天的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型基于大爆炸和宇宙膨脹（早期宇宙尺寸迅速膨脹的觀點(diǎn)）在解釋宇宙的結(jié)構(gòu)和演化方面取得了非常成功。但這是有代價(jià)的：它使一些最基本的問(wèn)題沒(méi)有得到解答。

首先，大爆炸模型從一個(gè)奇點(diǎn)開(kāi)始——一個(gè)無(wú)限密度的點(diǎn)物理定律瓦解的地方.這不僅僅是一個(gè)技術(shù)故障;這是一個(gè)深刻的理論問(wèn)題，表明我們根本沒(méi)有真正理解開(kāi)始。

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)短暫的快速膨脹階段，稱(chēng)為宇宙膨脹，由具有奇怪屬性的未知字段提供動(dòng)力。后來(lái)，為了解釋今天觀察到的加速膨脹，他們添加了另一個(gè)“神秘”的成分：暗能量.

簡(jiǎn)而言之，標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的宇宙學(xué)運(yùn)作良好——但僅限于通過(guò)引入新成分我們從未直接觀察過(guò)。與此同時(shí)，最基本的問(wèn)題仍然懸而未決：所有東西都來(lái)自哪里？為什么會(huì)這樣開(kāi)始呢？為什么宇宙如此平坦、光滑和巨大？

新型號(hào)

我們的新模型從不同的角度解決了這些問(wèn)題 - 通過(guò)向內(nèi)而不是向外看。我們不是從一個(gè)膨脹的宇宙開(kāi)始并試圖追溯它是如何開(kāi)始的，而是考慮當(dāng)一個(gè)過(guò)于密集的物質(zhì)集合在引力下坍縮時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

這是一個(gè)熟悉的過(guò)程：星星坍縮成黑洞，它們是物理學(xué)中最容易理解的對(duì)象之一。但是，在黑洞內(nèi)部，在什么都無(wú)法逃脫的事件視界之外，會(huì)發(fā)生什么，仍然是一個(gè)謎。

1965 年，英國(guó)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯 （Roger Penrose） 證明，在非常普遍的條件下，引力坍縮必然導(dǎo)致奇點(diǎn).此結(jié)果為由已故英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬·霍金 （Stephen Hawking） 等人擴(kuò)展》的結(jié)尾支持了這樣一種觀點(diǎn)，即奇點(diǎn)——就像宇宙大爆炸一樣——是不可避免的。

這個(gè)想法幫助彭羅斯贏得了 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并激發(fā)了霍金的全球暢銷(xiāo)書(shū)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(lài)于描述普通宏觀物體的“經(jīng)典物理學(xué)”。如果我們把量子力學(xué)的影響也包括進(jìn)來(lái)，它支配著原子和粒子的微小微觀世界，就像我們?cè)跇O端密度下必須的那樣，情況可能會(huì)改變。

在我們的新論文，我們表明引力坍縮不一定以奇點(diǎn)結(jié)束。我們找到一個(gè)精確的解析解 - 一個(gè)沒(méi)有近似值的數(shù)學(xué)結(jié)果。我們的數(shù)學(xué)表明，當(dāng)我們接近潛在奇點(diǎn)時(shí)，宇宙的大小會(huì)隨著宇宙時(shí)間的（雙曲線(xiàn)）函數(shù)而變化。

這個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)解決方案描述了坍縮的物質(zhì)云如何達(dá)到高密度狀態(tài)，然后反彈，向外反彈進(jìn)入新的膨脹階段。

但是，彭羅斯定理為什么禁止這樣的結(jié)果呢？這一切都?xì)w功于一個(gè)名為量子排除原理，它指出沒(méi)有兩個(gè)相同的粒子稱(chēng)為費(fèi)米子可以占據(jù)相同的量子態(tài)（例如角動(dòng)量或“自旋”）。

我們表明，這條規(guī)則可以防止坍縮物質(zhì)中的粒子被無(wú)限期地?cái)D壓。結(jié)果，崩潰停止并反轉(zhuǎn)。反彈不僅是可能的，而且在適當(dāng)?shù)臈l件下是不可避免的。

至關(guān)重要的是，這種反彈完全發(fā)生在廣義相對(duì)論，它適用于恒星和星系等大尺度，并結(jié)合了量子力學(xué)的基本原理——不需要奇異的場(chǎng)、額外的維度或推測(cè)物理學(xué)。

在反彈的另一側(cè)出現(xiàn)的是一個(gè)與我們自己的宇宙非常相似的宇宙。更令人驚訝的是，反彈自然會(huì)產(chǎn)生加速擴(kuò)張的兩個(gè)獨(dú)立階段——通貨膨脹和暗能量– 不是由假設(shè)的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，而是由反彈本身的物理學(xué)驅(qū)動(dòng)。

可測(cè)試的預(yù)測(cè)

該模型的優(yōu)勢(shì)之一是它可以做出可測(cè)試的預(yù)測(cè)。它預(yù)測(cè)了少量但不為零的正空間曲率 - 即宇宙不完全平坦，但略微彎曲，就像地球表面一樣。

這只是引發(fā)崩潰的最初小的過(guò)密度的遺留物。如果未來(lái)的觀察結(jié)果（例如正在進(jìn)行的Euclid 任務(wù)，證實(shí)了一個(gè)小的正曲率，這將是一個(gè)強(qiáng)烈的暗示，表明我們的宇宙確實(shí)是從這樣的反彈中出現(xiàn)的。它還對(duì)當(dāng)前宇宙的膨脹速度做出預(yù)測(cè)，這一點(diǎn)已經(jīng)得到驗(yàn)證。

這個(gè)模型不僅僅是解決標(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之謎提供新的視角——例如超大質(zhì)量黑洞的起源、暗物質(zhì)或星系的分層形成和演化。

這些問(wèn)題將在未來(lái)的太空任務(wù)中探討，例如阿拉基斯，它將研究恒星暈（恒星和星系周?chē)那驙钚窍祱F(tuán)的球形結(jié)構(gòu)）和衛(wèi)星星系（圍繞較大星系運(yùn)行的較小星系）等漫射特征，這些特征很難用地球的傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到，并將幫助我們了解暗物質(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)的遺跡致密物體（例如黑洞）有關(guān)。

黑洞宇宙還為我們?cè)谟钪嬷械奈恢锰峁┝诵碌囊暯?。在這個(gè)框架中，我們的整個(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。

我們并不特殊，就像地球在地心世界觀中一樣，導(dǎo)致伽利略（16 世紀(jì)和 17 世紀(jì)提出地球圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的天文學(xué)家）被軟禁。

我們見(jiàn)證的不是萬(wàn)物從無(wú)到有的誕生，而是宇宙周期的延續(xù)——一個(gè)由引力、量子力學(xué)以及它們之間的深層相互聯(lián)系所塑造的周期。

恩里克·加斯塔納加， 樸茨茅斯大學(xué)宇宙學(xué)與引力研究所教授，樸茨茅斯大學(xué)

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