科學研究新發現:每一個黑洞裡面都有另一個宇宙

 

作者:尼科丹·波洛斯基 (Nikodem Poplawski, 紐黑文大學的理論物理學家)

 

我們的宇宙可能位於黑洞的里面。這個表面上很奇怪的想法其實最足以解釋宇宙起源以及人類目前觀察到的各種現象。數十年以來,一小群包括本人在內的物理學家一直在探討這個理論。

 

雖然大霹靂理論相當地出色,它並無法解釋幾個値得注意的問題。大霹靂理論告訴我們:宇宙剛開始的時候是一個具有無限質量的奇異小點,然後膨脹成我們今日知道的模樣。物理學家在近幾十年提出的膨脹理論(空間以超快速度擴張)闡述許多重要的細節。例如:為何早期宇宙裡由物質集中而成的微小團塊會聚集成諸如銀河系和星系群之類的大型天體。

 

但是大霹靂理論或相關的膨脹理論尚有好幾個無解的謎團。舉例來說: 甚麽東西造成了大霹靂? 甚麽東西使得宇宙停止大霹靂之後的膨脹?讓宇宙加速擴張的神秘暗能量又是從何而來 ?

 

黑洞宇宙論不僅可以解答上述的問題,還能提供我們更多的答案。它也能讓我們不用花時間想像宇宙中存在著違反物理法則的奇點,而且它也能切入當代物理學的兩大核心理論。

 

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第一個理論是以最大尺度描述宇宙的廣義相對論。宇宙中的各種事件都像是時間和空間上的一個點。諸如太陽之類的大型物體會扭曲周圍的時空(概念類似於放在帆布上的保齡球)。太陽的引力牽動著地球和其他太陽系中的行星。

 

第二個理論是以最小尺度(原子的大小)描述宇宙的量子力學。到目前為止,量子力學和廣義相對論是兩個分開的理論。物理學家一直試圖將兩個理論整合成單一的量子重力理論,進而合理地解釋宇宙中的重要現象;包括亞原子粒子在黑洞裡的行為。

 

 

 

愛因斯坦-嘉當理論是廣義相對論的延伸理論。這個理論不僅是讓物理學家更接近量子重力,也讓我們用不一樣的觀點看宇宙。它將量子力學中重要的自旋性質納入考量。原子和電子會自旋(概念類似於在冰上轉體的滑冰選手) 
 
根據愛因斯坦-嘉當理論:粒子的自旋會和時空進行交互作用,並且賦予後者一種名為”撓曲”的性質。為了方便理解撓曲,請大家不要把時空想像成一塊平面的帆布,而是一根有彈性的棒子。折彎棒子等同彎曲時空,而扭曲棒子等同時空的撓曲。如果棒子本身很細,就容易彎曲,但是我們很難看得出它是否有扭曲。
 
時空的撓曲現像只有在早期宇宙或在黑洞裡面才會明顯。時空撓曲在這兩種極端環境中充當抗衡空間重力的斥力。根據廣義相對論,超大型的恆星最終會塌陷成黑洞: 一個連光線也無法逃脫的區域。
 
以下是撓曲在開天闢地之際上演的創世戲碼。起初,彎曲空間的重力大過於撓曲的斥力;物質被會吸引在一起然後塌陷。但是後來撓曲的斥力變的越來越強,避免物質被壓縮成密度無限大的龐然巨物。根據質能轉換公式,巨大的能量可以轉換成質量。巨大的引力在極端的高密度狀態產生了大量的粒子,從而大幅增加黑洞​​內部的質量。
 
隨著自旋的粒子數量越來越多,時空的撓曲也越來越明顯。撓曲的斥力阻止物質崩塌並且造成了 “大彈跳” 。大彈跳之後的瞬間後座力可能就是宇宙擴張的原動力。瞬間後座力造成的結果符合我們觀察到的宇宙形狀丶幾何原理和質量的分佈位置。
 
我們可以從撓曲機制推導出一個令人驚訝的畫面:每一個黑洞的內部都會產生一個全新的子代宇宙。如果這個推論屬實的話,我們宇宙中的第一個物質就會是從別的地方來的。如同我們看不到黑洞內的事物,身處直系宇宙的觀察者也看不到我們的宇宙內的各種動靜。
 
物質只會用單一的方向穿過黑洞邊界(事件視界,因而我們會有人事物往前移動的時間感。換言之:我們宇宙透過撓曲繼承了直系宇宙的時間軸。
 
撓曲也能解釋宇宙中物質和反物質的不等量現象。物質因為撓曲衰變成人類熟悉的電子和夸克,而反物質則衰變成暗物質。雖然暗物質是一種看不見的神秘物質,但是宇宙中大部分的物質都是暗物質。
 
最後,撓曲可能是暗能量的源頭。暗能量是一種存在於整個宇宙,而且會加速宇宙擴張速率的神秘能量。撓曲的幾何會自行產生"宇宙學常數"。宇宙學常數是一種附加的向外擴張力,也是最容易解釋暗能量的說法。天文學家觀測到宇宙加速膨脹可能就是時空撓曲最強而有力的證據。
 
撓曲提供了黑洞宇宙論的理論基礎。它也是許多現代重力理論和宇宙學謎團的解答。物理學家仍需要將愛因斯坦-嘉當理論和量子力學完整結合,然後建構成重力的量子理論。雖然黑洞宇宙論解答了好幾個重要的問題,理論本身也延伸出其他新的疑問。舉例來說:我們對於直系宇宙和我們身處的黑洞有多少的理解?我們的宇宙總共有幾代的直系宇宙? 我們又要如何用實驗證實宇宙處在黑洞裡面?
 
最後還有一個可能研究潛力的問題:既然所有的星體和黑洞都會旋轉,我們的宇宙可能繼承了直系黑洞的旋轉軸作為"偏好的轉動方向"。最近觀察超過15,000 個銀河系的研究報告顯示:宇宙的其中一球的螺旋星係有比較多左撇子(順時針方向旋轉),而另外一球的螺旋星系則有比較多的右撇子(逆時針方向旋轉)。無論如何,本人相信:研究時空幾何中的撓曲是人類建構完整宇宙理論的正確方向。
 
原文:
http://in5d.com/study-every-black-hole-contains-another-universe/
 
翻譯:Patrick Shih
 

本文出處網址: https://www.golden-ages.org/2015/10/07/nikodem-poplawski/

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