孕育宇宙大爆炸的黑洞

希臘哲學家柏拉圖在他的《洞穴寓言》中描述了一些囚犯，他們一生都被鎖在一個黑暗洞穴的牆壁上。囚犯身後有一團火焰，火焰和囚犯之間遊行著一些物體，這些物體將陰影投射到囚犯視野中的牆壁上。這些二維陰影是囚犯們唯一見過的東西——他們唯一的現實。他們的枷鎖阻止了他們感知真實世界，一個比他們所知的世界多一個維度的領域，一個充滿複雜性的維度，並且——囚犯們不知道——能夠解釋他們所看到的一切。

柏拉圖說中了一些道理。

我們可能都生活在一個巨大的宇宙洞穴中，它是在存在之初創造的。在標準的說法中，宇宙是在一場始於無限緻密點的宇宙大爆炸中誕生的。但是根據我們最近進行的計算，我們或許能夠將宇宙的開端追溯到宇宙大爆炸之前的時代——一個具有額外空間維度的時代。這個原始宇宙可能留下了可見的痕跡，即將到來的天文觀測可能會揭示這些痕跡。

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在我們看來，宇宙存在於三個空間維度和一個時間維度中——我們將這種幾何結構稱為“三維宇宙”。在我們的設想中，這個三維宇宙僅僅是一個具有四個空間維度的世界的陰影。具體而言，我們的整個宇宙是在這個超宇宙中的一次恆星內爆期間誕生的，這次內爆在一個四維黑洞周圍創造了一個三維外殼。我們的宇宙就是那個外殼。

我們為什麼要假設聽起來如此荒謬的東西？我們有兩個理由。首先，我們的想法並非無稽之談——它們牢固地紮根於描述空間和時間的數學理論中。

在過去的幾十年裡，物理學家們發展出了一種豐富的全息理論，這是一套數學工具，使他們能夠將一個維度中事件的描述轉化為不同維度的物理學。研究人員可以求解二維流體動力學中相對簡單的方程，並使用這些解來理解更復雜的系統中正在發生的事情——例如，三維黑洞的動力學。從數學上講，這兩種描述是可互換的——流體是奇異黑洞的完美類比。

全息術的成功使許多科學家相信，這裡起作用的不僅僅是簡單的數學變換。也許維度之間的界限沒有我們想象的那麼穩定。也許宇宙的規則是用另一組維度寫成的，並被翻譯成我們感知到的三個維度。也許，就像柏拉圖的囚犯一樣，我們的個人境況欺騙我們相信世界是三維的，而事實上，只有當我們在第四維度中尋找解釋時，才能更深入地理解我們所感知到的東西。

我們值得思考四維宇宙還有第二個原因。對這個宇宙的深入研究可能有助於我們理解關於宇宙起源和本質的深刻問題。例如，考慮一下宇宙大爆炸，那是使我們的宇宙誕生的原始閃光。現代宇宙學認為，宇宙大爆炸之後緊接著是“暴脹”——一個空間快速膨脹的時期，早期宇宙的體積增加了10⁷⁸倍（或更多）。然而，這種膨脹並沒有提供關於是什麼導致宇宙大爆炸的任何見解。相比之下，我們的四維宇宙為我們提供了終極奧秘的答案：宇宙從何而來？

已知和未知的宇宙

我們對四維宇宙的研究源於我們在思考三維宇宙時遇到的問題。現代宇宙學取得了巨大的成功，但其成功掩蓋了深刻而複雜的奧秘，這些奧秘可能可以透過全息解釋來解決。

宇宙學家可以使用幾個方程（其中最主要的是阿爾伯特·愛因斯坦提供的方程）和五個獨立的數字或引數來描述整個宇宙的歷史——從今天一直追溯到宇宙大爆炸後不到一秒的時間。這些引數包括普通物質、暗物質和暗能量的密度（稍後會詳細介紹），以及早期宇宙中量子漲落的幅度和形狀。這個模型——Lambda 冷暗物質 (Λ-CDM) 宇宙學正規化——描述了數百個（如果不是數千個）觀測資料點，涵蓋了從一百萬光年到 100 億光年的尺度，一直到我們可觀測宇宙的邊緣。

但是，這些觀測上的成功並不意味著我們的任務已經完成。宇宙的故事充滿了令人困擾的漏洞。我們面臨著關於宇宙本質的根本問題——這些問題我們至今尚未能夠回答。

問題 1：我們不理解這五個引數。

我們對 Λ-CDM 模型的五個引數的起源沒有令人滿意的解釋，其中一些引數必須非常精確地選擇才能與觀測結果一致。考慮宇宙中物質和能量的密度。僅僅在幾十年前，天文學家還認為普通物質——構成元素週期表的元素——將是質量-能量的主要形式。宇宙學觀測徹底修正了這一圖景（並在此過程中獲得了三項諾貝爾獎）。我們現在知道，普通物質的密度僅佔宇宙總能量密度的 5%。

另外 25% 以暗物質的形式存在，暗物質是一種未知的物質形式，其存在是從其引力吸引中推斷出來的。宇宙的 70% 由暗能量構成，暗能量是一種神秘物質，它導致我們宇宙的膨脹速度加快，而不是因為引力吸引而減慢。什麼是暗物質和暗能量？為什麼它們分別佔宇宙的 25% 和 70%？我們不知道。

如果我們更好地理解宇宙大爆炸——空間和時間在溫度高於 10²⁷ 度的輻射和粒子熱等離子體中的突然起源——也許答案就會出現。很難想象，像宇宙大爆炸後瞬間的情況如何導致我們今天觀察到的——一個溫度幾乎均勻，並且具有平坦、大規模空間幾何結構（三角形的角之和為 180 度）的宇宙。

宇宙暴脹可能是我們理解宇宙大規模結構的最好想法。暴脹會傾向於“壓平”宇宙，消除時空的任何彎曲區域，並使其達到均勻的溫度。就像宇宙放大鏡一樣，暴脹還在這個過程中將能量密度中的微小量子漲落放大到宇宙尺度。這些漲落反過來又成為星系、恆星、行星，甚至像我們這樣的生物體等結構生長的種子。

暴脹通常被認為是一個非常成功的正規化[參見上圖]。幾十年來，宇宙學家一直在透過觀測宇宙微波背景 (CMB) 輻射來檢驗暴脹的預測，宇宙微波背景輻射是早期宇宙中密度漲落的宇宙記錄。普朗克衛星的觀測證實，我們的宇宙是平坦的（或非常接近平坦），並且均勻性優於 60,000 分之一——正如暴脹所預測的那樣。此外，觀測到的原始物質漲落的幅度和形狀與我們期望暴脹放大量子真空的方式大致一致。

問題 2：我們不完全理解暴脹。

我們可能會問是什麼驅動了這種暴脹，它需要大量的能量。我們想象，在宇宙大爆炸後不久，宇宙充滿了能量，這種能量以一種名為暴脹子（發音為“IN-flah-tahn”）的假想粒子的形式存在。希格斯粒子於 2012 年由日內瓦附近 CERN 的大型強子對撞機發現，它與提議的暴脹子具有許多相同的特性，並且是其可能的候選者。暴脹子可能既負責早期的加速膨脹，也負責我們宇宙中的結構，因為早期宇宙中唯一顯著的密度差異是由暴脹子場能量中的微小量子漲落引起的。

但是暴脹子並沒有解決我們的問題；它只是把問題往後推了一步。暴脹子的性質、它的來源以及如何找到它仍然是謎。我們不確定它是否真的存在。

此外，物理學家不明白如何自然地結束暴脹。如果某種能量場驅動著指數膨脹的宇宙，那麼是什麼使該場突然關閉？而且，我們缺乏對暴脹時代之前——宇宙大爆炸後最初的萬億分之一萬億分之一萬億分之一秒——我們的宇宙歷史的令人滿意的描述。

問題 3：我們不明白這一切是如何開始的。

宇宙學最大的挑戰是理解宇宙大爆炸本身——所有空間、時間和物質從一個無限緻密點（稱為奇點）突然、猛烈地出現。奇點是一件難以想象的奇異事物，一個空間和時間自身彎曲的點，使得不可能區分未來和過去。所有物理定律都失效了。奇點是一個沒有秩序或規則的宇宙。從奇點中可能會出現任何邏輯上可能存在的東西。我們沒有理由認為奇點會產生一個像我們看到的宇宙一樣有序的宇宙。

我們預計宇宙從奇點中出現將是難以想象的混亂，其特點是從一個點到另一個點存在巨大的溫度波動。此外，暴脹的放大能力可能不會使一切都變得平滑。事實上，如果這些波動太大，暴脹可能永遠沒有機會開始。僅靠暴脹無法解決奇點的問題。

奇點很奇怪，但並非不熟悉。它們也形成於黑洞的中心，黑洞是巨型恆星坍塌後的遺骸。所有恆星都是核熔爐，它們將較輕的元素（主要是氫）聚變成較重的元素。核聚變過程為恆星的大部分生命提供能量，但最終恆星耗盡了所有核燃料，引力接管。一顆質量至少是我們太陽 10 倍的恆星會在作為超新星爆炸之前自身坍塌。如果恆星更大——15 到 20 個太陽質量或更多——超新星將留下一個緻密的核，該核會發生失控坍塌，收縮成零大小的點——一個黑洞。

黑洞可以被認為是空間區域，甚至光線也無法從中逃脫。由於光速是任何形式的物質可以達到的最大速度，因此黑洞的邊界——一個稱為事件視界的二維表面——是一個不歸路點：一旦恆星物質（或任何其他物質）落入此邊界內，它就會與宇宙的其餘部分隔絕，並不可避免地被拉向中心的奇點。

與宇宙大爆炸一樣，物理定律在這個奇點處也失效了。然而，與宇宙大爆炸不同的是，黑洞被事件視界包圍。這個表面就像裝甲包裝紙一樣——它可以防止任何關於奇點的資訊洩漏出來。黑洞的事件視界保護外部觀察者免受奇點災難性的不可預測的影響。

事件視界有效地使奇點失效，使得物理定律有可能描述和預測我們觀察到的一切。從遠處看，黑洞似乎是一個簡單、光滑且均勻的結構，僅由其質量和角動量（以及電荷，如果有的話）來描述。儘管物理學家最近提出了一些有趣的問題，即這種傳統圖景是否與量子物理學一致，但宇宙學中的工作假設是黑洞被其事件視界所籠罩。

相比之下，宇宙大爆炸奇點（正如通常理解的那樣）沒有被籠罩。它沒有事件視界。我們希望有一種方法可以保護自己免受宇宙大爆炸奇點及其災難性的不可預測性的影響，也許透過類似於事件視界的東西。

我們已經提出了這樣一種情景。它將宇宙大爆炸變成了一種宇宙海市蜃樓。我們的圖景像事件視界籠罩黑洞中心的奇點一樣，籠罩著宇宙大爆炸的奇點。這種籠罩保護我們免受奇點反覆無常和邪惡的影響。

超維度坍塌

這樣的籠罩層在一個關鍵方面與普通事件視界不同。因為我們認為我們的宇宙具有三個空間維度，所以籠罩宇宙大爆炸中心奇點的事件視界也必須具有三個空間維度——而不僅僅是兩個。如果我們想象這個事件視界也是由於宇宙坍塌而產生的——就像黑洞的二維事件視界是由三維恆星的坍塌形成的——那麼坍塌就必須發生在具有四個空間維度的宇宙中。

這種超維度情景，其中空間維度的數量超過明顯的三個，這個想法幾乎與廣義相對論本身一樣古老。它最初由西奧多·卡魯扎於 1919 年提出，並由奧斯卡·克萊因在 1920 年代擴充套件。他們的想法在很大程度上被遺忘了半個多世紀，直到 1980 年代研究弦理論的物理學家重新拾起。最近，科學家們用它來構建所謂的膜世界宇宙學。

膜世界的基本思想是，我們的三維宇宙是一個嵌入在更大空間（四個或更多空間維度）中的亞宇宙。三維宇宙稱為膜，更大的宇宙稱為體。所有已知的物質和能量形式都像投射在螢幕上的電影（或柏拉圖洞穴中囚犯的陰影現實）一樣粘附在我們的三維膜上。例外是引力，它滲透到所有更高維度的體中。

讓我們思考一下可能在宇宙大爆炸之前存在的四維空間維度的體超宇宙。我們可以想象這個體宇宙充滿了諸如四維恆星和四維星系之類的物體。這些更高維度的恆星可能會像我們的三維恆星一樣耗盡燃料，並坍塌成黑洞。

四維黑洞會是什麼樣子？它也將具有事件視界，一個不歸路表面，光線無法從中逃脫。但是，與我們普通黑洞中的二維表面不同，四維黑洞將產生一個具有三個空間維度的事件視界。

事實上，透過模擬四維恆星的坍塌死亡，我們觀察到，在一定假設條件下，從恆星坍塌中噴射出的物質可以形成一個緩慢膨脹的三維膜，圍繞著這個三維事件視界。我們的宇宙就是這個三維膜——對於坍塌成黑洞的四維恆星來說，它是一種全息圖。宇宙大爆炸奇點對我們來說變得隱藏起來，永遠被鎖定在三維事件視界之後。

這是真的嗎？

我們的模型有很多優點，首先是它消除了產生宇宙的裸奇點。但是其他長期存在的宇宙學問題，例如宇宙的近乎平坦和高度均勻性又如何呢？由於四維體宇宙可能在過去無限長的時間裡一直存在，因此體中的任何熱點和冷點都有足夠的時間達到平衡。體宇宙將是光滑的，我們的三維膜宇宙將繼承這種光滑性。

此外，由於四維黑洞也顯得幾乎沒有特徵，因此我們新出現的三維膜宇宙也將同樣光滑。四維恆星的質量越大，三維膜就越平坦，因此我們宇宙的平坦性是其作為重恆星坍塌的殘留碎屑的結果。

透過這種方式，我們的全息宇宙大爆炸模型不僅解決了標準宇宙學中均勻性和近乎平坦性的主要難題，而無需訴諸暴脹，而且還消除了初始奇點的破壞性影響。

這個想法聽起來可能很瘋狂，但有幾種方法可以對其進行測試。一種方法是透過研究宇宙微波背景輻射。在我們的三維膜之外，我們預計會存在一些額外的四維體物質——一些被黑洞的引力拉近的東西。我們可以證明，這種額外物質中的熱波動將在三維膜上產生波動，從而以小的但可能可測量的量扭曲 CMB。我們最新的計算表明，我們的模型與最新資料大致一致，但一些簡單的暴脹模型提供了更好的詳細擬合。

我們的模型可能缺少一些部分嗎？例如，如果四維黑洞在旋轉（黑洞旋轉非常常見），那麼我們的三維膜在所有方向上可能看起來都不一樣。我們宇宙的大規模結構在不同方向上看起來會略有不同。天文學家也可能透過研究 CMB 天空中細微的變化來找到這種方向性。

當然，即使全息宇宙大爆炸可能解決了一個巨大的問題——我們宇宙的起源——但它同時也引發了一系列新的謎團。其中最重要的是：我們宇宙的母宇宙從何而來？

為了找到這個謎題的答案，我們可能再次求助於柏拉圖。當柏拉圖的囚犯從洞穴中出來時，陽光灼傷了他們的眼睛。他們花了一些時間來適應亮度。起初，囚犯只能辨認出陰影和反射。很快他們就能看到月亮和星星。最後，他們正確地得出結論，太陽是“我們所看到的一切的創造者”——白天、黑夜、季節和陰影。

柏拉圖的囚犯不瞭解太陽背後的力量，就像我們不瞭解四維體宇宙一樣。但至少他們知道在哪裡尋找答案。

來自創世的低語還是 銀河塵埃？

尋找來自宇宙大爆炸的引力波的探索可能會揭示宇宙是如何開始的線索

除了異常寒冷的冬天遺留下的糟糕天氣外，2014 年 3 月的第二週像其他任何一週一樣開始。但隨後，宇宙學界開始流傳關於哈佛-史密森天體物理中心即將釋出公告的傳言。傳言在週末傳到了 Facebook、Twitter 和部落格圈。細節開始浮出水面。這不是任何普通的公告，而是一種如果正確的話，一生只會發生一次的公告。這是我們大多數人夢想只有在幾十年後，如果我們幸運的話，才能看到的東西。

BICEP-Keck 合作專案的公告稱，位於地理南極的一組微波望遠鏡在宇宙微波背景的偏振中發現了驚人的模式。如果這些模式是在早期宇宙中產生的，正如合作者認為可能的那樣，它們將證實宇宙暴脹理論 30 年前的預測：最簡單的暴脹模型可以產生可觀測水平的引力波，與早期宇宙中的密度或溫度波動相當。這也將是我們首次直接證明引力的量子性質，這是過去一個世紀理論物理學中最突出的難題。

然而，在科學中，就像在生活中一樣，事情很少像它們最初看起來那樣簡單。例如，預測可觀測水平引力波的簡單暴脹模型也表明，歐洲航天局普朗克衛星觀測到的溫度波動中應該已經看到了這些波的跡象。但事實並非如此！此外，來自我們星系塵埃的微波輻射往往是偏振的，這可能會混淆 BICEP-Keck 的觀測結果，至少在某種程度上是這樣。

事實證明，普朗克團隊在 2014 年末釋出的進一步資料顯示，最初的 BICEP-Keck 分析低估了他們地圖中塵埃汙染的程度。銀河系中的塵埃實際上可能解釋了他們所有的訊號。然而，現在計劃或正在進行的新實驗將在未來十年內顯著改進。這些實驗應該會進一步揭示宇宙大爆炸後的最初時刻。

—N.A., R.B.M. 和 R.P.