新理論認為，大爆炸可能不是一切的開始

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

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

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引人注目的替代方案。我們的計算表明，大爆炸并不是一切的開始，而是引力緊縮或坍縮的結(jié)果，形成了一個非常大的質(zhì)量黑洞– 然后是內(nèi)部的反彈。

這個我們稱之為黑洞宇宙的想法，對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。

今天的標準宇宙學(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）在解釋宇宙的結(jié)構(gòu)和演化方面取得了非常成功。但這是有代價的：它使一些最基本的問題沒有得到解答。

首先，大爆炸模型從一個奇點開始——一個無限密度的點物理定律瓦解的地方.這不僅僅是一個技術(shù)故障;這是一個深刻的理論問題，表明我們根本沒有真正理解開始。

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

簡而言之，標準型號的宇宙學(xué)運作良好——但僅限于通過引入新成分我們從未直接觀察過。與此同時，最基本的問題仍然懸而未決：所有東西都來自哪里？為什么會這樣開始呢？為什么宇宙如此平坦、光滑和巨大？

新型號

我們的新模型從不同的角度解決了這些問題 - 通過向內(nèi)而不是向外看。我們不是從一個膨脹的宇宙開始并試圖追溯它是如何開始的，而是考慮當一個過于密集的物質(zhì)集合在引力下坍縮時會發(fā)生什么。

這是一個熟悉的過程：星星坍縮成黑洞，它們是物理學(xué)中最容易理解的對象之一。但是，在黑洞內(nèi)部，在什么都無法逃脫的事件視界之外，會發(fā)生什么，仍然是一個謎。

1965 年，英國物理學(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.此結(jié)果為由已故英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金 （Stephen Hawking） 等人擴展》的結(jié)尾支持了這樣一種觀點，即奇點——就像宇宙大爆炸一樣——是不可避免的。

這個想法幫助彭羅斯贏得了 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎，并激發(fā)了霍金的全球暢銷書時間簡史：從大爆炸到黑洞.

但有一個警告。這些“奇點定理”依賴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)的影響也包括進來，它支配著原子和粒子的微小微觀世界，就像我們在極端密度下必須的那樣，情況可能會改變。

在我們的新論文，我們表明引力坍縮不一定以奇點結(jié)束。我們找到一個精確的解析解 - 一個沒有近似值的數(shù)學(xué)結(jié)果。我們的數(shù)學(xué)表明，當我們接近潛在奇點時，宇宙的大小會隨著宇宙時間的（雙曲線）函數(shù)而變化。

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

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

我們表明，這條規(guī)則可以防止坍縮物質(zhì)中的粒子被無限期地擠壓。結(jié)果，崩潰停止并反轉(zhuǎn)。反彈不僅是可能的，而且在適當?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、額外的維度或推測物理學(xué)。

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

可測試的預(yù)測

該模型的優(yōu)勢之一是它可以做出可測試的預(yù)測。它預(yù)測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)崩潰的最初小的過密度的遺留物。如果未來的觀察結(jié)果（例如正在進行的Euclid 任務(wù)，證實了一個小的正曲率，這將是一個強烈的暗示，表明我們的宇宙確實是從這樣的反彈中出現(xiàn)的。它還對當前宇宙的膨脹速度做出預(yù)測，這一點已經(jīng)得到驗證。

這個模型不僅僅是解決標準宇宙學(xué)的技術(shù)問題。它還可能為我們理解早期宇宙的其他深奧之謎提供新的視角——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。

這些問題將在未來的太空任務(wù)中探討，例如阿拉基斯，它將研究恒星暈（恒星和星系周圍的球狀星系團的球形結(jié)構(gòu)）和衛(wèi)星星系（圍繞較大星系運行的較小星系）等漫射特征，這些特征很難用地球的傳統(tǒng)望遠鏡探測到，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的遺跡致密物體（例如黑洞）有關(guān)。

黑洞宇宙還為我們在宇宙中的位置提供了新的視角。在這個框架中，我們的整個可觀測宇宙都位于某個更大的“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 世紀和 17 世紀提出地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的天文學(xué)家）被軟禁。

我們見證的不是萬物從無到有的誕生，而是宇宙周期的延續(xù)——一個由引力、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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