我们生活在一个看起来像外界的黑洞的婴儿宇宙中吗?

只要人类遇到的最大生存问题之一就是困惑人类的困扰,就是“所有这些来自哪里?”经过无数百年来的奇迹和投机

只要人类遇到的最大生存问题之一就是困惑人类的困扰,就是“所有这些来自哪里?”在无数世纪的奇迹和猜测之后,20世纪为此带来了我们第一个科学答案。我们了解到,宇宙中遥远的物体彼此相距:我们宇宙正在扩展的证据。我们发现,更遥远的星系看起来更年轻,较小,并且恒星形成率更高:证据表明我们的宇宙随着时间的推移而发展。我们发现了黑体辐射的几乎均匀的背景:早期,热,密集,辐射为主的状态的证据。所有这些拼图拼凑在一起,表明我们的宇宙起源于大约138亿年前的热爆炸。

但是我们的宇宙有一个非常好奇的财产,并不是每个人都赞赏。如果将可见宇宙中包含的所有粒子的质量和能量加起来,您可以问一个问题:“这个质量的黑洞的事件范围将有多大?”而且,答案也许令人惊讶地接近可观察到的宇宙的实际地平线大小。此外,还有另一个相关的想法,由斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)闻名,每次我们在宇宙中创建一个黑洞时,它都会产生一个“婴儿宇宙”,只有一个越过黑洞的事件视野内的观察者才能使用。那么,我们的宇宙实际上可以是由在某种宏伟的“父宇宙”中创建的黑洞所产生的,每次创建新的黑洞时,我们都会生下一个新的宇宙吗?

这是一个值得探索的令人着迷的想法。目前,科学不得不说。您组成的辐射,您将落在中央奇点,并增加黑洞的质量。 (信用:安德鲁·汉密尔顿/吉拉/科罗拉多大学)

黑洞的定义特征是事件范围的存在:一个边界,它为外部对象而不是内部的对象讲述了一个截然不同的故事。在黑洞的事件视野之外,任何物体都会经历其重力效应,因为该空间将因黑洞的存在而弯曲,但仍然可以逃脱。如果它在正确的方向上移动得足够快或足够快地加速,则不一定会落入黑洞,而是可以摆脱黑洞的重力影响。

然而,一旦一个物体越过事件视野的另一侧,它立即注定要包含在黑洞的中央奇点中。由于时空的织物在黑洞内严重弯曲,因此在越过事件视野的几秒钟内,一个插入物体将达到奇异性,在此过程中增加黑洞的质量。对于位于活动视野外的人来说,黑洞似乎形成,增加质量并随着时间的推移而成长。

罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)对黑洞物理学的最重要贡献之一是演示我们宇宙中现实的对象(例如恒星(或任何物质))如何形成事件范围以及所有物质如何绑定到它将不可避免地遇到中心奇点。 (信用:J。Jarnstead/Royal Swedish Science of Science; E. Siegel的注释)这与我们的宇宙有什么关系?如果您要在可观察到的宇宙中采用所有可测量的物质和辐射形式,则必须添加以下所有内容:

正常物质是由质子,中子和电子制成的,中微子,幽灵般的基本颗粒,很少与正常物质相互作用,暗物质,暗物质,这些颗粒主导了宇宙的质量,但到目前为止,直接检测工作,光子或光的光子,光子或光的光线,从宇宙历史上的每个电磁事件和引力波中,每次质量都会通过时空弯曲的织物加速并加速时,它们都是产生的。

在我们的仪器可能检测到的最远的限制下,我们可以在各个方向上看到多达460亿光年。如果您在整个可观察到的宇宙中加起来所有这些形式的所有能量,则可以使用爱因斯坦最著名的关系:e =mc²来获得等效的“质量”。

在附近,我们看到的星星和星系看起来很像我们自己的。但是,随着我们看待更远的地方,我们看到了宇宙的过去:结构较低,更热,更年轻,进化较少。在不同时期测量宇宙有助于我们了解其中存在的所有不同形式的物质和能量,包括正常物质,暗物质,中微子,光子,黑洞和引力波。 (信用:NASA/ESA/A。Feild(STSCI)),如果您愿意,您可以提出一个相当深刻的问题:如果整个宇宙被压缩到一个点,会发生什么?答案与如果您将任何大量的质量或能量收集到一个点:它会形成黑洞。爱因斯坦的重力理论值得注意的是,如果这种质量和/或能源的集合未充电(电气),并且不旋转或旋转(即没有角动量),那么总质量的总量是唯一的质量决定黑洞的大小的因素:天体物理学家称为Schwarzschild半径。

值得注意的是,可观察到的宇宙中所有物质质量的黑洞的施瓦茨柴尔兹半径几乎完全等于可见宇宙的观察到的大小!这种意识本身似乎是一个了不起的巧合,这提出了一个问题,即我们的宇宙实际上可能以某种方式是黑洞的内部。但这只是故事的开始。随着我们的深入研究,事情变得越来越有趣。

当一个黑洞形成时,质量和能量就会崩溃到奇异性。同样,当温度,密度和能量足够高时,继续推断出扩展的宇宙向后推断会导致奇异性。这两个现象可以连接吗? (信用:NASA/CSC/M.Weiss)在1960年代中期,这一发现彻底改变了我们对宇宙的概念:从天空中的所有位置出现了一个统一的低能辐射浴场。该辐射在所有方向上具有相同的温度,现在确定为2.725 K,仅比绝对零几度。辐射实际上具有完美的黑体频谱,好像它具有热,热的起源,并且无论您在天空中何处,都与30,000分之1的一部分相同。

这种辐射(最初称为原始火球,现在被称为宇宙微波背景)代表了关键证据表明我们的宇宙在过去越来越热,因为它在过去更热且浓密。我们推断的后背越远,较小,更均匀,更紧凑的事物是。一路走来,这张热爆炸的图片似乎接近了奇点,在黑洞的中央内部发现的情况相同:一个地点,地点,温度,温度和能量是如此极端,物理定律本身就破裂了下。

当物质崩溃时,它不可避免地会形成黑洞。彭罗斯(Penrose)是第一个解决时空物理学的人,适用于所有空间中所有观察者,并且在所有瞬间,都适用于这样的系统。从那以后,他的概念一直是一般相对论的黄金标准。 (信用:J。Jarnstead/Royal Swedish Science of Sciences)当您查看管理黑洞的方程式时,会发生一些显着的事情。如果您只是在活动视野外面开始,并逃到距黑洞的无限距离,您会发现您的距离(R)从R,Schwarzschild Radius到Infinity:∞。另一方面,如果您仅在事件视野内开始并跟踪从黑洞到中心奇点的距离,则会发现相同的距离(R)从R,从R,Schwarzschild Radius到零:0。

大事,对吧?

不,由于以下原因,这实际上是一件大事:如果您检查了从r到∞的黑洞事件视野之外的所有空间属性,从r到0,它们在每个点都是相同的。您所要做的就是用rocal替换距离R(更准确地说,更准确地用r/r代替R/R的所有实例),您会发现黑洞的内部是在数学上与黑洞的外观相同。

这几乎就像采用100%反射性的球形球体(完美的镜子),并注意到位于该球体外部的整个宇宙现在已包含,尽管在反射在球体表面上的镜像中,但仍扭曲了。

就像整个宇宙位于球形镜外面的镜子表面的反射上一样,黑洞内部发生的东西可能会编码内部一个全新的宇宙。这也可能与我们的宇宙有关。 (信用:Antti T. Nissinen/Flickr)随着我们对宇宙的理解得到了改善和完善,在过去的几十年中,两个新发现震撼了宇宙学的基础。首先是宇宙通货膨胀:现在看来,宇宙是由快速,无情的恒定,指数式扩张的状态建立的,而在热爆炸之前。好像有些领域为空间本身固有的能量提供了一种,导致宇宙充气,只有当通货膨胀结束时,大爆炸才开始。

第二个是黑暗能量:随着宇宙的扩展并变得越来越浓密,遥远的星系开始以加速速度从我们那里退出。宇宙再次再次表现得好像空间本身固有的某种能量,即使空间的膨胀持续,宇宙的行为似乎较小。人们推测,只要通货膨胀和黑暗能源都存在,可能会有联系。

您推断出的宇宙的扩展率之间存在根本差异,具体取决于您用来测量它的两类方法中的哪种方法只能增强猜想。一种潜在的解释是,顽固地和解这种差异是在早期存在更强形式的黑暗能量:一种在通货膨胀结束后存在的,但在宇宙微波背景散布在原始血浆中是在最终时间散布在宇宙微波背景之前的。也许通货膨胀和黑暗能源的共同点比我们意识到的更多,也许黑洞将提供对该链接本质的批判性见解。在宇宙的最早阶段,建立了通货膨胀时期并引起了热爆炸。今天,数十亿年后,黑暗能源导致宇宙的扩张加速。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。 (信用:C.-A。Faucher-Giguere,A。Lidz和L. Hernquist,Science,2008年)

这种联系可能是什么?再一次,黑洞可能是答案。当材料掉入其中时,黑洞会增加质量,并通过鹰辐射衰减,失去质量。随着事件范围的大小变化,是否有可能将空间结构固有的“能量”更改为事件范围内的观察者?我们认为,宇宙通胀是否可能标志着超大黑洞的宇宙创造?黑洞是否有可能与黑洞连接在一起?

这是否意味着,正如我们宇宙中天体物理的黑洞形成的那样,每个洞都会产生其自己的“婴儿宇宙”?这些猜测已经存在了数十年,尽管我们缺乏确定的或可证明的结论,但肯定有一些数学上令人信服的证据暗示了联系。然而,许多模型和想法比比皆是,这种思想仍然令人信服,许多研究黑洞,热力学和熵,一般相对论以及宇宙的开始和末端。一直在吹捧极其可疑的说法,即宇宙显示出各种特征的证据,这些特征与我们的宇宙相撞并“受到”大爆炸之前发生的任何事情。这些功能不强大,不足以为Penrose的主张提供支持。 (信用:V.G。Gurzadyan&R。Penrose,Eur。Phys。J.Plus,2013年)

不幸的是,每个物理模型(至少到目前为止)都无法做出独特的预测,可以做以下三件事。

重现所有成功,就像已经观察到的现象一样,通货膨胀热爆炸已经成功地解释了。解释和/或说明了观察到的现象,即普遍的理论不能。制定与当前领先的领导者预测的新预测模型,我们可以出去测试。

也许最著名的尝试是罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)的保形循环宇宙学(CCC),它确实做出了独特的预测,与标准宇宙学模型不同:鹰派的存在或宇宙微波背景中异常低温方差的圈子。不幸的是,这些功能在数据中并不能强烈地出现在数据中,从而降级了我们的宇宙是从黑洞中诞生的想法 – 以及黑洞会产生婴儿宇宙的想法 – 回到纯粹的投机性的想法。所有的插入物质都会发出光线,并且总是可见的,而事件的后面没有什么。但是,如果您是落入黑洞的人,那么您的能量可能会重新出现,这是新生儿宇宙中热爆炸的一部分。 (学分:科罗拉多大学的安德鲁·汉密尔顿,吉拉)

从物理和数学的角度来看,黑洞与宇宙的诞生之间存在联系,这是有很多值得一提的了。合理的是,我们宇宙的诞生与从我们自己面前存在的宇宙中极为巨大的黑洞之间存在联系。合理的是,在我们宇宙中创建的每个黑洞都引起了其中的一个新宇宙。

不幸的是,缺少的是一个独特的签名的关键步骤,可以告诉我们是否是这种情况。对于任何理论物理学家来说,这是最困难的步骤之一:确定在我们可观察到的宇宙上的新想法的烙印,将新想法与我们的旧思想区分开来。在我们成功采取这一步骤之前,工作可能会继续进行这些想法,但它们只会仍然是投机性假设。我们不知道我们的宇宙是否是由黑洞创造的,但是在这一点上,我们有可能愚蠢地排除愚蠢的可能性。这篇文章的早期版本先前于2021年1月发表,已有被Ethan Siegel博士删除并用此版本取代。

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