新理論認為，大爆炸可能不是一切的開始

這Big Bang通常被描述為宇宙的爆炸性誕生——空間、時間和物質誕生的單一時刻。

但是，如果這根本不是開始呢？如果我們的宇宙是從其他東西中出現的——同時又更熟悉、更激進的東西呢？

在一篇新論文中，發表于 Physical Review D，我和我的同事們提出了一個引人注目的替代方案。我們的計算表明，大爆炸并不是一切的開始，而是引力緊縮或坍縮的結果，形成了一個非常大的質量黑洞– 然后是內部的反彈。

這個我們稱之為黑洞宇宙的想法，對宇宙起源提出了截然不同的看法，但它完全基于已知的物理學和觀測。

今天的標準宇宙學模型基于大爆炸和宇宙膨脹（早期宇宙尺寸迅速膨脹的觀點）在解釋宇宙的結構和演化方面取得了非常成功。但這是有代價的：它使一些最基本的問題沒有得到解答。

首先，大爆炸模型從一個奇點開始——一個無限密度的點物理定律瓦解的地方.這不僅僅是一個技術故障;這是一個深刻的理論問題，表明我們根本沒有真正理解開始。

為了解釋宇宙的大尺度結構，物理學家在早期宇宙中引入了一個短暫的快速膨脹階段，稱為宇宙膨脹，由具有奇怪屬性的未知字段提供動力。后來，為了解釋今天觀察到的加速膨脹，他們添加了另一個“神秘”的成分：暗能量.

簡而言之，標準型號的宇宙學運作良好——但僅限于通過引入新成分我們從未直接觀察過。與此同時，最基本的問題仍然懸而未決：所有東西都來自哪里？為什么會這樣開始呢？為什么宇宙如此平坦、光滑和巨大？

新型號

我們的新模型從不同的角度解決了這些問題 - 通過向內而不是向外看。我們不是從一個膨脹的宇宙開始并試圖追溯它是如何開始的，而是考慮當一個過于密集的物質集合在引力下坍縮時會發生什么。

這是一個熟悉的過程：星星坍縮成黑洞，它們是物理學中最容易理解的對象之一。但是，在黑洞內部，在什么都無法逃脫的事件視界之外，會發生什么，仍然是一個謎。

1965 年，英國物理學家羅杰·彭羅斯 （Roger Penrose） 證明，在非常普遍的條件下，引力坍縮必然導致奇點.此結果為由已故英國物理學家斯蒂芬·霍金 （Stephen Hawking） 等人擴展》的結尾支持了這樣一種觀點，即奇點——就像宇宙大爆炸一樣——是不可避免的。

這個想法幫助彭羅斯贏得了 2020 年諾貝爾物理學獎，并激發了霍金的全球暢銷書時間簡史：從大爆炸到黑洞.

但有一個警告。這些“奇點定理”依賴于描述普通宏觀物體的“經典物理學”。如果我們把量子力學的影響也包括進來，它支配著原子和粒子的微小微觀世界，就像我們在極端密度下必須的那樣，情況可能會改變。

在我們的新論文，我們表明引力坍縮不一定以奇點結束。我們找到一個精確的解析解 - 一個沒有近似值的數學結果。我們的數學表明，當我們接近潛在奇點時，宇宙的大小會隨著宇宙時間的（雙曲線）函數而變化。

這個簡單的數學解決方案描述了坍縮的物質云如何達到高密度狀態，然后反彈，向外反彈進入新的膨脹階段。

但是，彭羅斯定理為什么禁止這樣的結果呢？這一切都歸功于一個名為量子排除原理，它指出沒有兩個相同的粒子稱為費米子可以占據相同的量子態（例如角動量或“自旋”）。

我們表明，這條規則可以防止坍縮物質中的粒子被無限期地擠壓。結果，崩潰停止并反轉。反彈不僅是可能的，而且在適當的條件下是不可避免的。

至關重要的是，這種反彈完全發生在廣義相對論，它適用于恒星和星系等大尺度，并結合了量子力學的基本原理——不需要奇異的場、額外的維度或推測物理學。

在反彈的另一側出現的是一個與我們自己的宇宙非常相似的宇宙。更令人驚訝的是，反彈自然會產生加速擴張的兩個獨立階段——通貨膨脹和暗能量– 不是由假設的場驅動，而是由反彈本身的物理學驅動。

可測試的預測

該模型的優勢之一是它可以做出可測試的預測。它預測了少量但不為零的正空間曲率 - 即宇宙不完全平坦，但略微彎曲，就像地球表面一樣。

這只是引發崩潰的最初小的過密度的遺留物。如果未來的觀察結果（例如正在進行的Euclid 任務，證實了一個小的正曲率，這將是一個強烈的暗示，表明我們的宇宙確實是從這樣的反彈中出現的。它還對當前宇宙的膨脹速度做出預測，這一點已經得到驗證。

這個模型不僅僅是解決標準宇宙學的技術問題。它還可能為我們理解早期宇宙的其他深奧之謎提供新的視角——例如超大質量黑洞的起源、暗物質或星系的分層形成和演化。

這些問題將在未來的太空任務中探討，例如阿拉基斯，它將研究恒星暈（恒星和星系周圍的球狀星系團的球形結構）和衛星星系（圍繞較大星系運行的較小星系）等漫射特征，這些特征很難用地球的傳統望遠鏡探測到，并將幫助我們了解暗物質和星系演化。

這些現象也可能與在坍縮階段形成并在反彈中幸存下來的遺跡致密物體（例如黑洞）有關。

黑洞宇宙還為我們在宇宙中的位置提供了新的視角。在這個框架中，我們的整個可觀測宇宙都位于某個更大的“母”宇宙中形成的黑洞內部。

我們并不特殊，就像地球在地心世界觀中一樣，導致伽利略（16 世紀和 17 世紀提出地球圍繞太陽旋轉的天文學家）被軟禁。

我們見證的不是萬物從無到有的誕生，而是宇宙周期的延續——一個由引力、量子力學以及它們之間的深層相互聯系所塑造的周期。

恩里克·加斯塔納加， 樸茨茅斯大學宇宙學與引力研究所教授，樸茨茅斯大學

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