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超大质量黑洞里,可能藏着整个宇宙

2018年04月09日 天文物理 ⁄ 共 2020字 ⁄ 字号 暂无评论

主流宇宙理论的一个奇怪推论表明,黑洞可能曾是通往其他宇宙的大门。

超大质量黑洞里,可能藏着整个宇宙


黑洞里可能藏着其他的宇宙。科学家最近发现,早期宇宙中一些奇异的时空现象会带来短寿命的虫洞,让我们与数量繁多的多重宇宙相连。


如果该理论得到证实,它或许可以解释为什么星系中心的超大质量黑洞在相对较短的时间内就可以长到这么大。


多重宇宙(multiverse)就是说我们所在的宇宙只是数量巨大的众多宇宙中的一个。这是目前关于宇宙膨胀的主流理论,即永恒暴胀(eternal inflation)理论引伸出的结论。


永恒暴胀理论认为,在宇宙的早期阶段,时空以指数方式膨胀,在极短的时间内体积迅速增大,之后膨胀速度才放缓并稳定下来。该理论诞生于20世纪80年代,最初是用于解释标准大爆炸理论自身无法解释的一些观测结果。


但宇宙学家迅速意识到,暴胀的宇宙还提示我们:通常以为只对微观粒子发挥作用的量子力学效应,在整个时空演化的过程也扮演着重要的角色。


其效应之一,就是较大范围的宇宙中的一小块时空可以转变为另一个量子态,形成一个“泡泡”,这样的泡可已从正在暴胀的宇宙中随机生成。


这意味着,哪怕是在我们宇宙的剧烈膨胀已经终止之后,其中一些泡仍然可以继续暴胀成为新的“婴儿宇宙”,而这些宇宙内又可以产生新的泡,以此类推,产生不断蔓延的多重宇宙。


“在暴胀进行的时候,泡泡会冒出来并在暴胀的空间里扩张。”美国塔夫斯大学的宇宙学家亚历克斯·维连金(Alex Vilenkin)说,他是膨胀宇宙学的先驱之一。


但要证实这个理论则相当困难。宇宙学家提出,那些泡和我们的宇宙碰撞的时候可能在宇宙微波背景辐射(即大爆炸留下的辐射)上留下了印记,但这样的信号极其微弱,目前为止宇宙学家还没有观察到任何确凿的证据。


维连金和同事想在我们的宇宙中寻找其他的方法证实多重宇宙存在的信号,因此他们通过数学手段分析了暴胀过程中产生的泡的命运。


他们发现,如果一些泡在形成时其内部的固有能量低于我们宇宙的固有能量,它们的确会开始膨胀:泡外部时空的张力比内部的大,因此泡壁就会被向外拉伸。


但当我们宇宙的暴胀停止以后,外部张力就消失了,泡沫就会开始坍缩,就像漏气的气球一样。


内部的世界


以上所描述的是从外部角度观察到的现象,但维连金说,这幅图景得出的结论还不仅于此,比如泡泡最终的命运依赖于它们的大小。


越往后生成的泡就越小,将坍缩成普通的黑洞,其内部只有一个密度无限大的“奇点”。


但早期生成的泡会更大,生成的黑洞也更大,在其内部甚至可以包含另一个正在暴胀的宇宙。


在我们所在的宇宙暴胀结束后的一瞬间,泡刚刚开始坍缩时,这时候我们可能可以通过虫洞与泡内部相连结。不幸的是,这些虫洞几乎立刻就会关闭,迅速切断内部的暴胀宇宙与外部宇宙的联系。“我们向这些宇宙发送信号的机会已经消逝了。”论文的共同作者,西班牙巴塞罗那大学的物理学家豪梅·加里加(Jaume Garriga)说。


但即使是在虫洞关闭以后,黑洞中的时空依旧在继续膨胀(见arxiv.org/abs/1512.01819v1)。


另一位膨胀宇宙学的先驱,斯坦福大学的宇宙学家安德烈·林德(Andrei Linde)高度评价了他们的工作。这一工作背后的想法在近30年前就出现了,但维连金和同事对泡的命运做出了最详细的分析。林德说:“这就是美丽的广义相对论,它有时候会带来极端违反直觉的结论。”


维连金的分析提出,我们宇宙中黑洞的分布应该有一些独特的特征,这能为寻找多重宇宙的迹象提供一条崭新的途径。在达到某一个临界质量之前,质量越大的黑洞数目越多,超过这个质量的黑洞数目则迅速减少。“这一临界质量把普通黑洞与包含正在暴胀的多重宇宙的黑洞区分开来。”加里加说。


这或许也能解决一个存在已久的谜题:天体物理学界一直很难解释为何超大质量黑洞能长得这么大,按理说它们并没有足够的时间来吸收这么多物质。但按照新理论,那类最大的黑洞里面藏着一个宇宙,它们在一开始就比其他黑洞大很多。我们银河系中心的黑洞,很可能就是由这样的黑洞生长而成。


维连金的工作或许也能解决困扰物理学家几十年的黑洞信息丢失悖论。


加利福尼亚大学圣巴巴拉分校研究广义相对论与黑洞的物理学家唐·马罗尔夫(Don Marolf)指出,物理学家一直想知道黑洞所包含的信息是不是比它们表面显露出来的要多得多。


他说:“这实际上是一个古老的观点的极端例子,即黑洞的内部是无穷无尽的。”


而在别的宇宙看来,我们自己的宇宙可能也是一个黑洞。


“这个研究课题深不可测,”林德说,“我们才刚刚开始触到它的表面,刚开始发现多重宇宙相关的事实真相。”(撰文:阿尼尔·阿纳塔斯瓦米(Anil Ananthaswamy) 翻译:丁家琦 审校:韩晶晶)


原文链接:

https://www.newscientist.com/article/mg22930554-300-supermassive-black-holes-might-be-hiding-entire-universes-inside/


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