每个黑洞都包含一个新宇宙

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: Nikodem Poplawski

我们的宇宙可能存在于一个黑洞中。这听起来可能很奇怪，但它实际上可能是解释宇宙如何开始的最佳解释，以及我们今天所观察到的。这个理论在过去的几十年里被包括我在内的一小群物理学家探索过。

尽管大爆炸理论取得了成功，但它仍有一些值得注意的未解决的问题。该理论认为，宇宙开始时是一个看似不可能的“奇点”，一个包含无限高浓度物质的无限小的点，不断膨胀，直到我们今天所看到的样子。膨胀理论是近几十年来提出的一种超快的空间膨胀理论，它填补了许多重要的细节，比如为什么早期宇宙中物质集中的微小块会合并成星系和星系团这样的大天体。

但这些理论留下了一些未解决的主要问题。大爆炸是由什么开始的?是什么导致了通货膨胀的结束?显然导致宇宙加速膨胀的神秘暗能量的来源是什么?

我们的宇宙完全包含在一个黑洞中这一观点为这些问题以及更多问题提供了答案。它消除了宇宙中物理上不可能存在奇点的概念。它借鉴了物理学的两个核心理论。

第一个是广义相对论，现代引力理论。它以最大的尺度描述了宇宙。宇宙中的任何事件都是作为时空中的一点发生的。像太阳这样的大质量物体会扭曲或“弯曲”时空，就像一个放在画布上的保龄球。太阳的引力改变了地球和其他围绕太阳运行的行星的运动。太阳对行星的引力在我们看来就是地心引力。第二种是量子力学，它在最小的尺度上描述宇宙，比如原子的水平。然而，量子力学和广义相对论目前是两个独立的理论;物理学家一直在努力将这两种理论成功地结合成一个“量子引力”理论，以充分描述重要现象，包括黑洞中亚原子粒子的行为。

20世纪60年代，广义相对论被称为爱因斯坦-卡坦-夏马-基布尔引力理论，它考虑到了量子力学的影响。它不仅向量子引力迈出了一步，而且还引出了另一种宇宙图景。广义相对论的这种变化包含了一种重要的量子性质，即自旋。像原子和电子这样的粒子具有自旋或内部角动量，类似于溜冰者在冰上旋转。

在这幅图中，粒子的自旋与时空相互作用，并赋予它一种叫做“扭转”的特性。要理解扭转，不要把时空想象成一个二维的画布，而是一个灵活的一维杆。弯曲杆对应弯曲时空，扭转杆对应时空扭转。如果杆很细，你可以弯曲它，但很难看出它是否扭曲。

时空扭转只有在早期宇宙或黑洞中才会显著，更不用说明显了。在这些极端环境中，时空扭转会表现为一种排斥力，对抗时空曲率带来的引力。在广义相对论的标准版本中，超大质量的恒星最终会坍缩成黑洞:在这个空间区域，任何东西，甚至光，都无法逃脱。

这是在我们的宇宙开始的时候，扭转是如何发生的。最初，弯曲空间的万有引力会克服扭转的斥力，使物质坍缩到更小的空间区域。但最终，扭转会变得非常强大，阻止物质压缩成密度无穷大的点;物质会达到一种极大但密度有限的状态。由于能量可以转化为质量，在这种密度极高的状态下，极高的引力能会导致大量粒子的产生，从而极大地增加黑洞内部的质量。

自旋粒子数量的增加将导致更高水平的时空扭转。斥力扭转会阻止坍塌，并产生一个“大弹跳”，就像一个压缩的沙滩球突然向外弹跳。如此大的反弹后的快速反冲可能是导致宇宙膨胀的原因。这种反冲的结果与对宇宙形状、几何形状和质量分布的观测结果相吻合。

反过来，扭转机制暗示了一种惊人的情景:每个黑洞都会在里面产生一个新的婴儿宇宙。如果这是真的，那么我们宇宙中的第一种物质就来自其他地方。所以我们自己的宇宙可能是另一个宇宙中黑洞的内部。就像我们无法看到宇宙中黑洞内部发生的事情一样，任何来自母宇宙的观察者也无法看到我们的黑洞内部发生的事情。

物质通过黑洞边界的运动，称为“视界”，只会在一个方向上发生，提供了一个我们认为是向前移动的时间方向。因此，我们宇宙中的时间之箭将通过扭转，从母体宇宙继承下来。

最后，扭转可能是“暗能量”的来源，暗能量是一种神秘的能量形式，渗透到整个空间，并加快了宇宙的膨胀速度。带有扭转的几何自然会产生一个“宇宙常数”，一种附加的向外力，这是解释暗能量最简单的方法。因此，观测到的宇宙加速膨胀可能最终成为扭转的最有力证据。

扭转也可以解释观察到的宇宙中物质和反物质之间的不平衡。由于扭转，物质会衰变为我们熟悉的电子和夸克，而反物质会衰变为“暗物质”，一种神秘的看不见的物质形式，似乎占据了宇宙中的大多数物质。

因此，扭转为每个黑洞内部变成一个新宇宙的设想提供了理论基础。它也似乎是当前引力理论和宇宙学几个主要问题的补救办法。物理学家仍然需要将爱因斯坦-卡坦-夏马-基布尔理论与量子力学完全结合起来，形成一个量子引力理论。在解决一些主要问题的同时，它也提出了新的问题。例如，我们对宇宙的母宇宙和我们的宇宙所在的黑洞了解多少?我们有多少层母宇宙?我们如何测试我们的宇宙是否存在于黑洞中?

最后一个问题是可以研究的:既然所有的恒星和黑洞都是旋转的，我们的宇宙就会继承母黑洞的旋转轴作为一个“首选方向”。最近对15000多个星系的调查显示，在宇宙的一个半球，更多的螺旋星系是“左旋的”，即顺时针旋转，而在另一个半球，更多的是“右旋的”，即逆时针旋转。无论如何，我相信在时空几何中包含扭转是走向成功的宇宙学理论的正确一步。

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Nikodem Poplawski是康涅狄格州纽黑文大学的理论物理学家。

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