时间的真正起点，是来自高维世界的黑洞？

Daphane · 发表于 2021-6-21 23:21:55

來源: 环球科学

宇宙大爆炸之前，奇点存在了多久？科学家解释真的是这样吗？

有四个空间维度的超宇宙，可能在我们熟知的大爆炸之前就已经存在。我们可以想象，这个四维超宇宙充斥着四维恒星和四维星系。当高维恒星耗尽燃料的时候，就会像我们的三维恒星一样，塌缩成黑洞，而我们这个宇宙的一切，包括时间，也许就始于这个四维黑洞。　　撰文 | 尼亚耶什·阿弗肖迪（Niayesh Afshordi）、罗伯特·曼（Robert Mann）、拉兹·帕哈桑（Razieh Pourhasan）
　　翻译 | 易疏序
　　我们也许正生活在一个巨大的宇宙洞穴中，这个洞穴在万物之初就出现了。按照标准说法，宇宙是由一个密度无限大的点经过大爆炸而产生的。但通过最近开展的一些计算工作，我们可能会将宇宙的诞生追溯到大爆炸之前的纪元里，那时的空间要比现在的宇宙空间多出一个维度。即将开展的一些天文观测，可能会找到这个“原初宇宙”（ protouniverse）留下的一些蛛丝马迹。
　　以往的经验告诉我们，宇宙有3个空间维度和1个时间维度，我们将这种几何结构定义为“三维空间宇宙”。但在我们的新宇宙模型里，这个三维宇宙不过是一个四维宇宙的投影。明确来说，我们整个宇宙诞生于高维宇宙中的一次恒星塌缩。这次塌缩在四维宇宙中产生了一个四维黑洞；黑洞的三维表面，就是我们生活的宇宙。
　　我们干嘛要提出这样一个听起来很荒诞的理论？这有两个理由。第一，我们的理论并非异想天开，它有坚固的数学基础，从而可以正确描述时空。
　　过去几十年，物理学家发展出了完善的全息理论（theory of holography）。他们有一套数学工具，可以将某个维度上的物理过程，转而在另一个维度上描述。举例来说，二维空间中的流体动力学方程相对简单，研究人员就可以解出方程，并利用这些二维解来理解一些更复杂的系统，比如三维黑洞的动力学过程。在数学上来说，这两种描述是相通的——人们可以用流体来完美类比难以捉摸的黑洞。
　　全息理论的成功使很多科学家相信，它可能是一个深层次、根本性的理论，而不仅仅是一个数学变换那么简单。或许，不同维度之间的界限，并不像我们想象得那么难以逾越；或许，宇宙基本原理是存在于另一个维度中的，然后被转换到我们看到的这个三维世界中；或许，就像柏拉图寓言中的囚徒，日常经验欺骗了我们，让我们误以为世界是三维的，只有当我们把目光投向第四个维度时，一切才会豁然开朗。
　　四维宇宙假说值得关注的另一个原因是，通过严谨地研究四维宇宙，或许可以帮助我们了解宇宙的本质，回答宇宙起源之谜，比如创世的闪光——大爆炸之谜。现代宇宙学认为，在大爆炸之后，宇宙紧接着进入了空间极速膨胀的时期——暴胀（inflation），在此期间早期宇宙的体积增加了1078倍以上。不过，暴胀学说仍没能回答，是什么导致了大爆炸。相比之下，四维宇宙模型回答了这个终极谜题：宇宙究竟从何而来？

大爆发（Big Burst）：大质量恒星爆炸会产生一个黑洞以及一团由气体和尘埃组成的云，这团云叫超新星遗迹（左侧红色区域）。在高维宇宙中，类似的爆发可以产生我们的三维宇宙。

　　已知与未知的宇宙
　　我们研究四维宇宙正是为了解决三维宇宙中存在的问题。现代宇宙学已经取得了巨大的成功，但成功的光环下，却隐藏着深刻而复杂的谜团。对这些谜团的求索，让研究人员想到了全息理论。
　　宇宙学家用几个简单的方程（其中最重要的几个是爱因斯坦写出来的）和5个独立参数，就能描述整个宇宙的历史——从今天一路回溯到大爆炸后的一刹那。这5个独立参数为：普通物质、暗物质和暗能量各自的相对能量密度（我们会在后面的内容中详细说明），以及早期宇宙量子涨落的幅度和功率谱。他们用一个标准的宇宙学模型——Λ 冷暗物质（lambda Cold Dark Matter，Λ-CDM）模型，描述了数百个甚至可能是数千个观测数据点，这些数据覆盖的空间尺度从百万光年到百亿光年，到达了可见宇宙的边缘位置。不过，观测上的成功并不代表我们对宇宙的研究大功告成了。研究人员推测的这一宇宙演化版本，仍然有很多令人感到棘手的漏洞。我们遇到了有关宇宙本质的最根本问题，而且到目前为止，我们仍无法对这些问题做出解答。
　　问题1：我们并不理解这5个参数
　　让我们来想想宇宙中物质和能量的密度吧。哪怕只是数十年以前，天文学家都还相信，普通物质（元素周期表里的那些物质）是宇宙质量能量的主要形式。后来的宇宙学观测彻底颠覆了这个观念（这也带来了3个诺贝尔奖）。我们现在知道，在宇宙全部能量密度中，普通物质只占5%，暗物质则占到了25%。暗物质是一种未知的物质形式，科学家通过引力作用推测出了它们的存在。宇宙中剩下的70%是暗能量，普通物质的引力作用理应让宇宙的膨胀减慢，而暗能量这种神秘的东西却加速了宇宙的膨胀。暗物质和暗能量是什么？它们为何能占据25%和70%的宇宙成分？这些问题我们不得而知。
　　如果我们能更好地理解大爆炸，也许就能知道这些问题的答案了。在一团由光和粒子组成的、温度高达1027℃的等离子体中，时间和空间突然创生。很难想象，在那样一种极端情况下创生的宇宙，居然会演化成我们今天所看到的这种情形——温度几乎处处相同，在大尺度上具有平直的空间曲率（在这样的空间曲率下，三角形的内角和是180°）。
　　暴胀可能是让我们理解宇宙大尺度结构的最好假说了。暴胀能“拉直”宇宙，抹平时空的弯曲部分，让宇宙的温度变得均匀。就像宇宙放大镜一样，暴胀也把宇宙初期微小的能量密度量子涨落放大到宇宙学尺度。这些涨落最终变成大尺度结构的种子，也就是星系、恒星、行星和包括我们在内的生命的种子。
　　暴胀学说是一个被广泛接受的成功理论。数十年来，宇宙学家通过观测宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background，CMB）来检验暴胀学说的各种预言。CMB记录了早期宇宙的密度扰动情况。欧洲空间局（European Space Agency）的普朗克卫星最近的观测结果，证实了我们的宇宙是平直（或者非常接近平直）而且均匀的（各向异性不超过六万分之一）——这两点都是暴胀学说的重要预言。此外，人们认为原初物质涨落是暴胀将量子涨落放大得来的，卫星观测到的原初物质的涨落功率谱和幅度，与理论预期符合得非常好。
　　问题二：我们并没有真正理解暴胀
　　我们可能会问：是什么驱动了暴胀的发生？如何提供这么大的能量？在我们的想象中，在大爆炸结束后极短的时间内，宇宙充满了能量，这些能量以一种假想粒子的形式存在，即“暴胀子”（inflaton）。最近，科学家在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上发现的希格斯粒子（Higgs particle），与“暴胀子”这一假想粒子有很多相似的性质，可能是“暴胀子”的候选者之一。“暴胀子”不仅能解释宇宙早期的加速膨胀，也能解释如今的宇宙结构，因为在早期宇宙中， “暴胀子”场能量的微小量子涨落，是唯一能导致显著的能量密度差异的机制。
　　不过，“暴胀子”并不能解决我们的问题，它只是把问题又向前推进了一步。我们不知道“暴胀子”的性质，不知道它从何而来以及如何找到它，我们甚至不确定它是否真的存在。
　　此外，物理学家不知道暴胀是如何自然地停止的——这就是所谓的“优雅退场疑难”（graceful exit problem）。如果一种能量场驱动了宇宙以指数级膨胀，那么，是什么让这个能量场突然“关闭”？同时，在Λ-CDM模型中的5个宇宙学参数，其中一些参数必须被精确地调整到当前数值，否则我们观测到的宇宙会面目全非，但对于这5个参数的起源，我们也没有一个令人信服的解释。并且，对于暴胀发生之前的宇宙——宇宙诞生的最初万亿亿亿亿分之一秒（10-36秒）内，我们也没有一个确定的描述。
　　问题三：我们不理解大爆炸是如何开始的
　　宇宙学领域的最大挑战是，如何理解大爆炸本身的性质：在一个密度无穷大的点——奇点（singularity），一切时间、空间、物质突然剧烈地喷薄而出。奇点是一个令人难以理解的“怪物”，时间和空间蜷曲于其中，在那里根本无法分辨过去和未来，一切物理定律也都失效。奇点是一个没有秩序、没有规则的宇宙。从奇点中跳出任何东西，在逻辑上都是成立的。但从奇点中跳出来一个像我们看到的宇宙一样有秩序的宇宙，是不太可能发生的。
　　我们能够想象的情形是，从奇点中有可能跳出一个高度混乱的宇宙，那个宇宙的特点是，温度有剧烈的空间涨落，也就是说，在宇宙空间中，不同点的温度有着巨大的差异。而且，那个宇宙里的暴胀可能不能将这些涨落抹平。事实上，如果温度的涨落太大的话，暴胀可能都没有机会发生。因此，奇点的问题不能全靠暴胀来解决。
　　奇点虽然奇怪，但并非极其罕见，我们在另一个地方——黑洞的中心，也能瞥见其魅影。黑洞是巨星塌缩的遗骸。所有的恒星都是核聚变反应炉，在那里，轻元素（主要是氢）聚合成重元素。核聚变过程提供了恒星一生的大部分能量。不过最终，核燃料耗尽，引力开始起主宰作用。在引力作用下，一颗比太阳至少重10倍的恒星会发生塌缩，然后引爆超新星爆发。如果恒星再大一些，达到15~20个太阳质量或者更大的质量，超新星爆发结束后会留下一个致密的核心，这个核心会失控地塌缩，形成黑洞。
　　黑洞是一片连光线都无法逃脱的空间区域，而光速是任何形式的物质可以达到的速度上限，因此任何物质只要跨过了黑洞的边界——一个被称为事件视界（event horizon）的二维面，便有去无回。一旦恒星物质或是其他什么东西落入了这个边界，它们与宇宙中的其他部分也就切断了联系，会被无情地拉向黑洞中心的奇点。
　　正如在宇宙大爆炸起点物理定律会失效，在黑洞的奇点处，已知的物理规律也同样不再适用。与大爆炸不同的是，黑洞的奇点被视界包围着。视界的作用就像是一层坚固的包装纸，防止任何奇点信息泄露出去。黑洞的视界挡住了黑洞外部的观察者，使他们无法观察到奇点的那些不可思议的性质［这就是所谓的宇宙监督假设（cosmic censorship）］。
　　奇点被视界包裹，这一点十分重要，它使我们能够用熟悉的物理定律来描述和预测我们所能观测到的世界。对于一个远处的观察者而言，黑洞具有简单、光滑、均匀的时空结构，因此仅仅用质量、角动量以及电荷就可以充分描述了。物理学家把这戏称为“黑洞没有毛”——除了质量、角动量和电荷之外，就没有可以区分不同黑洞的细节了。
　　与黑洞中的奇点相反，大家普遍认为，大爆炸的奇点没有被包裹，它没有事件视界。我们也希望有一种方法，比如存在某种类似视界的东西，能够把这个令人不舒服的奇点与我们隔离开。
　　我们的理论正是提供了这样一个方法，在这个理论中，宇宙大爆炸其实是一个幻景。我们的理论可以将大爆炸的奇点包裹起来，正如事件视界将黑洞奇点包裹起来一样。这样我们就避开了可怕的大爆炸奇点。

四维宇宙中的黑洞

　　与普通的事件视界相比，大爆炸奇点的“隐身斗篷”有一个关键的不同之处。因为我们感知到的这个宇宙有3个空间维度，因此遮蔽宇宙大爆炸中心奇点的东西也应该是三维的，而不应该像视界一样是二维的。黑洞的二维事件视界是三维空间的恒星塌缩产生的，那我们也可以做出这样一种假设：遮蔽大爆炸奇点的三维事件视界，就应该是四维宇宙里的恒星塌缩产生的了。
　　额外维理论要求空间维数超过直观的三维，这一想法的提出时间，几乎与广义相对论一样久远。它最早由特奥多尔·卡卢察（Theodor Kaluza）于1919年提出，在上世纪20年代，奥斯卡·克莱因（Oskar Klein）进一步扩展了这一理论。但在此后的半个多世纪里，他们的想法基本被人们遗忘了，直到上世纪80年代才被研究弦论的物理学家重新拾起。最近，科学家利用额外维的思想建立了所谓膜世界（brane worlds）的宇宙学理论。
　　膜世界理论的基本思想是，我们的三维宇宙是一个子宇宙，它嵌在一个更大的四维（甚至更高维）空间中。这个三维宇宙被称为膜（brane），它所嵌入的大宇宙被称为体（bulk）。我们所知的所有物质和能量形式都束缚在这个三维膜之上，如同电影投影到银幕上——就像柏拉图寓言中，洞穴中的囚徒认为，墙壁上的投影就是真实世界。但引力例外，它能渗透到更高维的“体”之中。
　　让我们来考虑一下“体”——有四个空间维度的超宇宙，它可能在大爆炸之前就已经存在。我们可以想象，这个四维超宇宙中充斥着四维恒星和四维星系。当这些高维恒星耗尽燃料的时候，就像我们的三维恒星一样，它们就会塌缩成黑洞。
　　四维黑洞是什么样子的？它也会有一个事件视界，一个有去无回的边界，一旦落入其中连光子都无法逃脱。有所不同的是，普通黑洞的视界是二维的，四维黑洞则会产生一个三维的事件视界。
　　在模拟了四维恒星的塌缩过程之后，我们发现，在很多情况下，四维恒星塌缩过程中抛射出的物质，的确会在三维事件视界的周围形成一个缓慢扩张的三维膜。我们的宇宙就是这个三维膜，是一个即将塌缩成黑洞的四维恒星的全息图。宇宙大爆炸的奇点被三维事件视界永远遮挡着。
　　四维宇宙真实吗？
　　我们的模型有很多优势，首先它避免了宇宙诞生时的裸奇点。不过，对于那些长久以来困扰人们的宇宙学难题，比如宇宙为什么会有近乎平直的空间曲率和高度均匀性，我们的模型能否解决呢？因为四维体宇宙可能已经存在了无限长的时间，经过足够长的时间后，体宇宙中任何的热点和冷点都达到了平衡。如此以来，四维体宇宙就变得光滑，我们的三维膜宇宙就继承了它的光滑性。此外，因为四维黑洞几乎没有任何细节特征（“无毛”），因此我们的三维膜宇宙也应该是光滑的。四维恒星的质量越大，三维膜就越平坦。我们宇宙之所以平坦，是因为它是一颗很重的四维恒星的塌缩遗迹。
　　这样，我们这种全息论的大爆炸模型，不仅没有用暴胀就解决了均匀性和平坦性难题，而且还避免了宇宙大爆炸起始的裸奇点。
　　这个想法听起来或许很疯狂，不过有几种方法可以来检验它。一种方法是研究宇宙微波背景辐射。在我们三维膜宇宙之外，可能存在着一些额外的四维体物质——它们是被四维黑洞的引力拉过来的。这些额外物质的热涨落会在三维膜宇宙上造成涨落，从而给宇宙微波背景辐射带来微小的但可探测的扭曲。我们的计算结果和欧洲空间局普朗克卫星的观测结果有4%的差异。不过，这个差异可能是由我们尚未正确建模的次级效应造成的。

此外，如果四维黑洞有自旋（黑洞有自旋非常常见），那么我们的三维宇宙就不会在各个方向上看起来都是相同的。在不同方向上，我们宇宙的大尺度结构会稍有不同。天文学家或许可以通过细致地研究宇宙微波背景辐射来发现这种方向性。
　　当然，即便我们的全息论大爆炸理论解决了最大的问题（我们宇宙的起源），它也会带来一系列的新问题，其中最大的一个问题就是：我们宇宙的母宇宙从何而来？
　　为了回答这个问题，我们也许要再一次从柏拉图那里找寻灵感。当柏拉图寓言中的囚徒走出洞穴时，太阳会灼伤他们的眼睛，他们需要时间来适应洞外明亮的世界。起初，囚徒们只能辨认出影子，不久他们就能够看到月亮和星星。最终，他们会得出结论，太阳是“我们所看的到一切事物的创始人”——白天、黑夜、四季和影子。柏拉图故事中的囚徒们无法理解太阳背后的力量，正如我们无法理解四维体宇宙一样。不过，我们至少已经知道，该去哪里寻找答案了。

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