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惊人观点:我们生活在一个来自黑洞的婴儿宇宙里?

2022-02-26 08:13
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熊猫爱向日
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一些研究人员认为,每个黑洞的内部孕育了一个新的宇宙。那么,我们现在所处的宇宙是由黑洞产生的吗?

自人类诞生以来,最令人困惑的本体论问题之一是:宇宙中的一切从何而来?

经过无数个世纪的思考和思考,人类在20世纪找到了这个问题的第一个科学答案。

我们知道宇宙中遥远的物体正在加速彼此远离,这是宇宙正在膨胀的证据。科学家还发现,更远的星系看起来更年轻,质量更小,形成恒星的速度更快,这表明我们的宇宙正在随时间演化。研究人员还发现了黑体辐射几乎均匀的宇宙微波背景,表明早期宇宙中存在高温、稠密和充满辐射的状态。

所有这些谜题加在一起表明,我们的宇宙起源于138亿年前的大爆炸。

然而,我们生活的宇宙有一个非常奇怪的特征,不是每个人都知道。

如果我们把可见宇宙中所有粒子的质量和能量加起来,我们可以问一个问题:在这样的质量下,黑洞的视界有多大?答案是:非常接近可观测宇宙的实际地平线大小。

此外,斯蒂芬霍金还提出了另一种相关观点,认为宇宙每次产生黑洞,都可能产生一个“婴儿宇宙”,只有通过黑洞视界的观察者才能进入“婴儿宇宙”。

那么,我们的宇宙真的诞生在一个黑洞中,而这个黑洞属于一个更大的“母宇宙”吗?每次一个新的黑洞被创造出来,一个新的宇宙就会被创造出来,这是真的吗?

惊人观点:我们生活在一个来自黑洞的婴儿宇宙里?

即使是一个复杂的实体,比如一个巨大的旋转黑洞(Kerr黑洞),一旦你通过视界,不管你是由什么类型的物质或辐射组成的,都会落入中心奇点并增加黑洞的质量

这是一个值得探索的有趣想法。让我们从目前已知的科学开始,思考一下这种可能性有多大。

事件视界被用来定义黑洞的时空边界:在这个边界内,任何事件都不能影响边界外的观察者。在黑洞的视界之外,任何物体都会受到黑洞引力效应的影响,因为黑洞的存在会弯曲空间;然而,靠近黑洞的物体仍然可能逃逸。如果它在正确的方向上中移动得足够快或加速得足够快,它可能不会落入黑洞,但它可能会摆脱黑洞的引力影响。

然而,如果一个物体穿过视界的另一边,它注定会立即融入黑洞的中心奇点。由于黑洞内部时空结构的严重弯曲,坠落物体将在穿过视界后几秒钟内到达奇点。在这个过程中,黑洞的质量会增加。对于视界之外的人来说,黑洞似乎会随着时间的推移而形成、增加质量和增长。

惊人观点:我们生活在一个来自黑洞的婴儿宇宙里?

罗杰·彭罗斯对黑洞物理学最重要的贡献之一是展示了我们宇宙中的真实物体,如恒星(或任何物质集合),将如何形成一个事件视界,所有通过事件视界的物质都将不可避免地遇到中心奇点。

这和我们的宇宙有什么关系?在可观测的宇宙中,所有已知和可测量的物质和辐射形式包括:

(1)由质子、中子和电子组成的常规物质;

(2)中微子是一种稀有的基本粒子,很少与正常物质相互作用;

(3)暗物质主宰着宇宙的质量,但迄今为止还没有被直接探测到;

(4)光子或轻粒子携带着宇宙历史上每一次电磁事件的能量;

(5)当物体在弯曲的时空结构中移动并加速时,就会产生引力波。

在人类仪器能够探测到的最远范围内,我们可以推测从任何方向到宇宙可观测边缘的距离约为460亿光年。如果你把整个可观测宇宙中所有这些形式的能量加起来,你可以使用爱因斯坦最著名的方程E=MC2来获得宇宙的等效“质量”。

然后我们可以问一个相当深刻的问题:如果整个宇宙被压缩成一个点,会发生什么?

这与另一个问题的答案相同。也就是说,如果任何足够大的质量或能量被压缩成一个点,会发生什么?

答案是它会形成一个黑洞。

值得注意的是,在爱因斯坦的引力理论中,如果这组质量/能量没有电荷、没有旋转或自旋(即没有角动量),那么总质量是决定黑洞有多大的唯一因素;在天体物理学中,这就是所谓的Schwarzschild半径——如果特定质量的材料在这个半径内被压缩,就不会有已知类型的力来阻止材料本身的重力将其压缩成奇点。

惊人观点:我们生活在一个来自黑洞的婴儿宇宙里?

在邻近的宇宙中,我们看到的恒星和星系与太阳和银河系非常相似。但当我们进一步观察时,我们看到了遥远过去的宇宙:结构更少、更热、更年轻、进化更少。在不同时间测量宇宙有助于我们了解宇宙中所有不同形式的物质和能量,包括常规物质、暗物质、中微子、光子、黑洞和引力波

更令人难以置信的是,质量等于可观测宇宙中所有物质总质量的黑洞的半径几乎与可观测宇宙的半径相同!

这一发现本身似乎是一个惊人的巧合,但它提出了一种可能性:我们的宇宙是黑洞的内部吗?

但这只是故事的开始。随着研究的深入,一切都变得越来越有趣。

20世纪60年代中期,一项发现彻底改变了我们对宇宙的理解:均匀的、全方位的低能电磁辐射出现在天空的各个部分。这种辐射的温度在所有方向上中都是相同的。现在它被确定为2.725K的绝对温度标度,只比绝对零度高几度。

辐射有一个非常完美的黑体光谱,就好像它有一个高温来源;无论你从什么角度看天空,这种辐射的差异都小于1/30000。

这种辐射最初被称为“原始火球”,现在被称为宇宙微波背景辐射,是我们的宇宙正在膨胀和冷却的关键证据——表明宇宙在过去比现在更热、更密集。

我们回去得越早,宇宙中的一切就会越小,越均匀,越紧凑。离初始时刻越近,大爆炸的图像似乎就越接近一个奇点,就像黑洞的内部中心一样:一个密度、温度和能量都非常极端的地方,而物理定律本身却失败了。

惊人观点:我们生活在一个来自黑洞的婴儿宇宙里?

当黑洞形成时,它的质量和能量坍缩成一个奇点。同样,当温度、密度和能量足够高时,回到膨胀的宇宙会形成奇点。这两种现象相关吗?

当我们研究控制黑洞的方程式时,我们也会发现一些值得注意的东西。如果你从视界外开始,逃逸到黑洞的无限远,你会发现距离(R)从史瓦西的半径(R)增加到无穷远(∞).另一方面,如果你从视界开始追踪从黑洞到中心奇点的距离,你会发现距离(R)从史瓦西的半径(R)减少到0。

没什么大不了的,是吗?不,这实际上是一个大问题,原因如下:如果你检查黑洞视界外空间的所有属性(从R到无穷大),并比较黑洞视界内空间的所有属性(从R到0),你会发现它们在每一点上都是相同的。

你所要做的就是用距离的倒数1/r替换距离r(或者更准确地说,用r/r替换所有r/r);你会发现黑洞的内部和外部在数学上是一样的。

这几乎就像拿一个100%反射的球体——就像一个完美的镜子——观察整个宇宙,你会发现整个宇宙都在球体之外,但包含在球体表面的反射镜中,尽管它是扭曲的。

在过去的几十年中,随着对宇宙的认识的不断提高和完善,两个新发现动摇了宇宙学的基础。

第一个是宇宙暴胀:现在看来,宇宙不是由奇点产生的,而是由大爆炸之前的快速、连续和恒定的指数膨胀状态建立的。就好像某种场提供了空间本身固有的能量,导致宇宙的转变;只有当暴胀结束时,大爆炸才开始。

惊人观点:我们生活在一个来自黑洞的婴儿宇宙里?

当物质崩塌时,它将不可避免地形成黑洞。彭罗斯是第一个计算时空物理学的人,并将其应用于空间中所有点和所有时刻的所有观察者。从那时起,他提出的概念一直是广义相对论的黄金标准

第二个发现是暗能量:随着宇宙膨胀,密度降低,遥远的星系开始加速远离我们。再一次——尽管规模要小得多——宇宙表明,空间本身似乎有一些固有的能量,即使它继续膨胀,也不会被稀释。自从暴胀和暗能量被提出以来,研究人员推测它们之间可能有联系。

事实是,从这两种理论推断出的宇宙膨胀率之间存在着根本性的差异,这加强了它们之间存在联系的推测。

一种可能的解释是,早期宇宙中存在一种更强的暗能量:它存在于暴胀末期之后,但在宇宙微波背景最后一次从原始等离子体散射之前衰减。也许暴胀和暗能量有着比我们最初预期的更多的共同点,也许黑洞将提供一个关键的视角来帮助我们理解这种联系的本质。

这是什么联系?答案很可能是黑洞。

当物质落入黑洞时,黑洞的质量会增加,然后通过霍金的辐射衰减并失去质量。随着视界大小的变化,观察者在视界内空间结构中固有的“能量”是否可能发生变化?我们所认为的宇宙暴胀是否真的标志着宇宙从超大质量黑洞诞生?暗能量是否也与黑洞有关?

这是否意味着随着我们宇宙中天体物理黑洞的形成,每个黑洞在其内部某处都有自己的“婴儿宇宙”?

这些猜想已经提出了几十年,到目前为止还没有明确或可验证的结论,但研究人员相信,一定有一些数学上令人信服的证据表明两者之间存在联系。

事实上,物理学家已经提出了许多模型和想法。在这一理念的指导下,许多人将继续关注黑洞、热力学和熵、广义相对论以及宇宙的起源和终结。

惊人观点:我们生活在一个来自黑洞的婴儿宇宙里?

正如球面镜外的整个宇宙都会被镜面反射一样,黑洞内发生的事情也可能会对内部的新宇宙进行编码。我们的宇宙可能也参与了这个过程

不幸的是,至少到目前为止,每个物理模型都未能做出唯一的预测,可以做以下三件事:

(1)为了重现暴胀理论的成功,科学家观察到的一些现象可以用暴胀的热大爆炸理论成功地解释;

(2)解释和/或解释流行理论无法解释的观测现象,或做出与当前主流模型预测不同但可以验证的新预测;

(3)也许这方面最著名的尝试是罗杰·彭罗斯的共形循环宇宙学,它确实做出了一个与标准宇宙学模型不同的独特预测:霍金点的存在。所谓“霍金点”是指宇宙微波背景中异常低温变化的圆形区域。不幸的是,这些特征并没有被强有力的数据所证实,所以我们的宇宙诞生于黑洞的观点——以及婴儿宇宙诞生于黑洞的观点——仍然是纯粹的猜测。

从物理学和数学的角度来看,黑洞与宇宙诞生之间存在联系的观点值得赞扬。宇宙的诞生和超大质量黑洞的诞生之间似乎存在联系,这似乎是有道理的;我们宇宙中的每个黑洞都会在其中产生一个新的宇宙,这似乎是合理的。

惊人观点:我们生活在一个来自黑洞的婴儿宇宙里?

在宇宙的初始阶段,有一个暴胀时期,它导致了大爆炸。数十亿年后,暗能量正在加速宇宙的膨胀。这两种现象有很多共同点,甚至可能通过黑洞动力学联系在一起。

不幸的是,这里缺少一个关键步骤,并且没有可识别的明显特征来告诉我们这种情况是否存在。

对于任何理论物理学家来说,这是最困难的步骤之一:在可观测宇宙中找到一个新概念留下的痕迹,并将其与旧的和流行的概念区分开来。

在这一步取得成功之前,我们可能会继续研究这些观点,但它们只是推测性的假设。我们不知道宇宙是否真的会在黑洞诞生时出现,但目前,我们不应该排除这种诱人的可能性。

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