新理论提出：大爆炸或许并非万物起源

大爆炸常被描述为宇宙的爆炸性诞生 —— 空间、时间和物质在那一刻瞬间涌现的奇点时刻。

但如果这根本不是开始呢？如果我们的宇宙是从别的东西 —— 某种既更熟悉又更激进的事物 —— 中涌现出来的呢？

在发表于《物理评论D》的一篇新论文中，科学家提出了一个引人注目的替代理论。他们的计算表明，大爆炸并非万物的起点，而是一次形成超大质量黑洞的引力坍缩（或称内爆） —— 及其随后在黑洞内部发生的反弹 —— 的结果。

这个我们称之为“黑洞宇宙”的想法，为宇宙起源提供了一个根本不同的视角，但其基础完全建立在已知的物理学原理和观测事实之上。

当今基于大爆炸和宇宙暴胀（即早期宇宙在尺寸上急速膨胀的观点）的标准宇宙学模型，在解释宇宙的结构和演化方面取得了显著成功。但这需要付出代价：它留下了一些最根本的问题未能解答。

首先，大爆炸模型始于一个奇点 —— 一个物理定律失效、密度无限大的点。这不仅是个技术性缺陷；更是个深层的理论问题，暗示着我们其实根本未能理解开端。

为了解释宇宙的大尺度结构，物理学家在早期宇宙中引入了一个由具有奇特性质的未知场驱动的、短暂的急速膨胀阶段，称为宇宙暴胀。之后，为了解释当今观测到的加速膨胀，他们又添加了另一个“神秘”成分：暗能量。

简言之，标准宇宙学模型运作良好 —— 但前提是引入我们从未直接观测到的新成分。与此同时，最根本的问题依然悬而未决：万物从何而来？为何以此方式开始？宇宙为何如此平坦、均匀且广袤？

新模型

科学家们的新模型从一个不同的角度来处理这些问题 —— 向内审视而非向外探索。我们不是从一个膨胀的宇宙开始并试图追溯其起源，而是思考当一个过度致密的物质集合体在引力作用下坍缩时会发生什么。

这是一个熟悉的过程：恒星坍缩成黑洞，而黑洞是物理学中最被充分理解的天体之一。但在黑洞内部、越过任何事物都无法逃脱的事件视界之后发生了什么，仍然是个谜。

1965年，英国物理学家罗杰·彭罗斯证明，在非常普遍的条件下，引力坍缩必然导致奇点。这一结果由已故英国物理学家斯蒂芬·霍金等人推广，奠定了奇点 —— 如大爆炸奇点 —— 不可避免的观点基础。

这一观点帮助彭罗斯赢得了2020年诺贝尔物理学奖的部分奖项，并启发了霍金的全球畅销书《时间简史：从大爆炸到黑洞》。

但有一个警告。这些“奇点定理”依赖于描述普通宏观物体的“经典物理学”。如果我们必须考虑在极端密度下统治原子和粒子微观世界的量子力学效应，故事可能会改变。

在科学家们的新论文中，他们证明了引力坍缩不一定以奇点告终。他们找到了一个精确的解析解 —— 一个无需近似的数学结果。他们的数学表明，当他们接近潜在的奇点时，宇宙的尺寸会随着宇宙时间呈（双曲）函数变化。

这个简单的数学解描述了一个坍缩的物质云如何能够达到高密度状态，然后反弹，向外回弹进入一个新的膨胀阶段。

但彭罗斯的定理为何会排除这种结果呢？这都归因于一条称为量子不相容原理的规则，该原理指出，没有两个被称为费米子的全同粒子可以占据相同的量子态（例如角动量或“自旋”）。

他们证明，这条规则阻止了坍缩物质中的粒子被无限挤压。结果，坍缩停止并逆转。反弹不仅是可能的 —— 在适当的条件下，它是不可避免的。

至关重要的是，这种反弹完全发生在广义相对论（适用于恒星和星系等大尺度结构）的框架内，并结合了量子力学的基本原理 —— 无需引入奇异场、额外维度或推测性的物理学。

在反弹的另一面诞生的，是一个与我们宇宙惊人相似的宇宙。更令人惊讶的是，反弹自然产生了两个独立的加速膨胀阶段 —— 暴胀和暗能量 —— 它们并非由假想场驱动，而是由反弹本身的物理机制所驱动。

可检验的预测

该模型的优势之一在于它做出了可检验的预测。它预测宇宙存在微小但非零的正空间曲率 —— 意味着宇宙并非绝对平坦，而是略微弯曲的，就像地球表面一样。

这仅仅是引发坍缩的初始微小密度过高的遗迹。如果未来的观测（例如正在进行中的欧几里得任务）确认了微小的正曲率，这将强烈暗示我们的宇宙确实源自这样一次反弹。该模型还对当前宇宙的膨胀速率做出了预测，这一点已被验证。

这个模型所做的不仅仅是解决标准宇宙学的技术问题。它还可能为我们理解早期宇宙的其他深奥谜团带来新的曙光 —— 例如超大质量黑洞的起源、暗物质的本质，或者星系的分级形成与演化。

未来的太空任务（如Arrakhis）将探索这些问题。Arrakhis将研究弥散特征，例如恒星晕（围绕星系由恒星和球状星团组成的球状结构）和卫星星系（围绕较大星系运行的较小星系），这些特征很难用地球上的传统望远镜探测到，并将帮助我们理解暗物质和星系演化。

这些现象也可能与在坍缩阶段形成并在反弹中幸存下来的遗迹致密天体（如黑洞）有关。

黑洞宇宙：新视角

黑洞宇宙模型还为我们理解自身在宇宙中的位置提供了新的视角。在这个框架下，我们整个可观测宇宙都位于某个更大的“母”宇宙中形成的黑洞内部。

我们并非特殊的存在，就如同在伽利略（16-17世纪提出地球围绕太阳运行的天文学家）曾因此被软禁的地心说世界观中，地球并不特殊一样。

我们目睹的并非万物从无到有的诞生，而是一个宇宙轮回的延续 —— 这个轮回由引力、量子力学以及它们之间深刻的关联所塑造。

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