黑洞里藏着另一个宇宙吗

时间:2023-12-02 03:09:02

在宇宙的早期,一小块时空可能凑巧产生了一个连接多重宇宙的虫洞。如果这个观点获得证实,那么它就可以解释为什么星系中心的黑洞可以长这么快……这也就意味着每一个巨型黑洞后面都有一个宇宙。

有一个宇宙学理论认为我们的宇宙仅仅是无数宇宙中的一个,这就是永恒暴胀理论。这个理论首次出现是在20世纪80年代,它是用来解释标准大爆炸理论无法独自解释的一些令人疑惑的观测现象的。它预言,在我们的宇宙之外,时空以指数级膨胀着,每个瞬间都会增倍;时不时都会有一个时空的“泡泡”被抛出来,以一个更为稳定的速率增长,正如我们的宇宙在大约140亿年前所经历的一样。即使快速增长在这里结束,新的宇宙也会继续在别的地方持续产生,展开成许多个宇宙。

掉到黑洞里是一种怎样的体验?

由于缺乏相关的可靠目击报告,要回答这个问题只能依赖相对论的理论推演。

相对论告诉我们,从外部观测者的角度来看,你永远掉不进黑洞里。想象一下你离黑洞的视界越来越近,某一时刻起,黑洞的引力开始玩弄起时间来。你掉下去的时候并非加速向下,而是会慢下来,你越来越慢地向着视界爬行,然而永远也抵达不了视界。与此同时,你的图像也会变暗变红,转向红外、射电波段,波长一路拉长下去。

你自己的体验则是另外一幅景象,不过我们可不知道具体情况。当你离黑洞越来越近时,天空中星星点点的恒星和星系会扭曲,同时也会蓝移,最终达到可以亮瞎眼的光度。在你的时钟和感知中,你很快就穿过了视界。穿过它时你也许毫发无损,也有可能会经过一堵火墙并被轰成一堆亚原子粒子的渣渣。如果你能侥幸活下来,那么离黑洞中心足够近的时候,你会由于引力的梯度过大而被撕成碎片,这个过程被称为拉面效应。但是根据一些理论,你也许会发现自己被扔进一个虫洞里,进入一个全新的宇宙——很可能那里没有一个人会相信你的故事。

美国马萨诸塞州梅德福市塔夫茨大学的亚历克斯· 维兰金(Alex Vilenkin,1949— )和他的同事考虑过,我们是否可以观测到多重宇宙的迹象。他们对暴胀过程中产生的“泡泡”的命运展开了数学分析。他们发现一些“泡泡”以半路出家的形式产生:仍然在暴胀,但是速度不一样了。

它们中的一些会在我们所处的空间中,因此当我们的宇宙完全停止暴胀时,这些半路出家的“泡泡”就会被困在其中。在我们看来它们就像黑洞。晚些形成的“泡泡”看起来相对较小,会坍缩成比较标准的黑洞,中心只有一个无穷致密的被称为奇点的点;而早期的“泡泡”会更大,创造出更大的黑洞。在它们中间,暴胀的时空会扩张出自己的多重宇宙。

分析指出,我们的宇宙应该有一个确切的黑洞分布。到某个截至质量为止,质量越大的黑洞数目也应该越多,超过这个截至质量后数目则减少。这一点也许可以解决一个悬而未决的谜题。标准的天体物理学难以解释超大质量黑洞如何在宇宙的早期就变得如此巨大。在这个新的结论里,大爆炸对应于独立的“泡泡”宇宙开始与其他的宇宙分离,在这个过程的最初时刻,这些大黑洞已经形成了,这些大块头演变成了我们今天在星系中心看到的超大质量黑洞,这包括了我们的银河系。

这也可能给黑洞信息缺失悖论带来一丝希望,而物理学家对这一问题已经争论了十几年了。当然,我们的宇宙在其他宇宙的物理学家看来可能也像一个黑洞。

黑洞里藏着另一个宇宙吗

采访:斯蒂芬·霍金

斯蒂芬·霍金,这个世界上最伟大的物理学家之一,因他对黑洞的研究工作而著名。2012年,为了庆祝他的70岁生日,《新科学家》杂志通过电子邮件对他进行了一次独家专访(他在21岁时被诊断罹患运动神经元疾病,当时只能通过由他的脸颊抽动控制的感应器与外界沟通)。在他对问题的回复的基础上,《新科学家》杂志对他描述的一些概念进行了注解。

在你的职业生涯中,物理学领域最激动人心的进展有哪些?

宇宙背景探测器(Cosmic Background Explorer,COBE)卫星发现宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,CMB)的温度有着微小的起伏,并且被后续的威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP)卫星所证实,同时这些观测的结果与暴胀理论的预言完美一致。普朗克卫星也许能探测到暴胀理论预言的引力波信号,这将会是写满整个天空的量子引力信号。

[COBE卫星和WMAP卫星测量了宇宙微波背景,这是充满整个空间的大爆炸的余晖。它的温度几乎是完全均匀的,这一点有力地证明了暴胀理论,因为暴胀理论预言宇宙在大爆炸之后不久经历过一段极速的膨胀时期,将所有的不均匀性都抹平了。如果暴胀真的发生了,它将会沿着时空传播出涟漪——引力波——并导致宇宙微波背景的微弱变化。而这种变化太微弱,到目前为止都无法被观测到。在这次采访之后,欧洲空间局(European Space Agency,ESA)的普朗克卫星试图搜寻这一信号而无果。其他望远镜项目都希望能实现比普朗克卫星更高的观测精度(详见第5章)。]

爱因斯坦说宇宙学常数是他“最大的错误”,那你的呢?

我曾经以为黑洞会摧毁信息,但是反德西特/共形场论(Anti-de-Sitter/Conformal Field Theory correspondence,AdS/CFT对偶)让我改变了主意。这是我最大的错误,或者说最起码是我在科学上犯的最大的错误。

[黑洞吞噬一切靠近自身的事物,包括信息。但是在1975年,霍金与以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦一起证明了黑洞会慢慢地辐射能量,导致其蒸发并最终消失。所以它们吞咽的信息去哪儿了?霍金在过去的数十年里一直认为它被销毁了,这对连续性和因果律都是一个巨大的颠覆。然而,在1997年,理论物理学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)发展了一套数学上的捷径:AdS/CFT对偶。它将发生在弯曲时空几何结构(如黑洞)中的事件与对应空间表面的较为简单的物理现象联系了起来。

在2004年,霍金通过这个方法证明了黑洞的信息可能会泄漏回我们的宇宙,其机制是在黑洞表面,也就是视界附近的量子力学的微绕。霍金这一次改变态度,让他输了一个10年前与理论物理学家约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)的赌约。]

哪个发现最能革新我们对宇宙的认识?

对已知粒子的超对称伙伴的发现,也许会在大型强子对撞机里实现吧。这会是支持M理论的强力证据。

[对超对称粒子的搜索是欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)的一项重要目标。找到希格斯玻色子以后,粒子物理学的标准模型就完整了。但是这个标准模型依然存在一些问题,而一旦现有的基础粒子都有一个更重的超伙伴存在的话,这些问题就全都迎刃而解了。超对称的证据会支持M理论,这是一个十一维版的弦理论,也是目前对结合引力与大自然其他力的万物理论的最佳候选。]

如果你是一个刚起步的年轻物理学家,你会研究什么领域?

我会有一个新想法,然后开拓一个新的领域。