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宇宙诞生不是因为大爆炸!科学家揭秘宇宙起源,我们都被骗了

说起宇宙诞生,很多人会想到:漆黑的空间里,一个火球砰地炸开,物质向四面八方飞散。这幅画面其实是错的。

宇宙大爆炸不是发生在空间里的爆炸,而是空间本身在膨胀,它没有中心,也不存在站在外面旁观的位置。还有一点常被忽略:大爆炸理论描述的是宇宙诞生后如何演化,至于最初那一刻发生了什么,目前没有任何模型能够解释。

由此引出一个问题:宇宙大爆炸会不会是一个白洞?要回答这个问题,得先弄清白洞是什么。

人类已拍到两张经过处理的黑洞照片,那白洞长什么样?有个看似随意的办法:找一段黑洞的影像倒着放,看到的大致就是白洞。这听起来像玩笑,却确有道理。

黑洞的理论源头是1916年史瓦西从广义相对论场方程中算出的一个解。1964年,俄罗斯物理学家伊戈尔发现,史瓦西解中的时间T是以平方形式出现的,T可以取正负两个值。

取正值对应黑洞,取负值对应什么?现实中时间只能向前走,所以只能把负号从时间转移到空间上,得到的就是白洞。

因此,白洞最准确的定义是:时间正向流动、空间上完全相反的黑洞,也就是倒放的黑洞。黑洞吞噬一切进入事件视界的物质,连光也逃不出去;白洞则不断从事件视界内向外喷射物质,任何东西包括光都进不去。

如果黑洞永恒存在,即T可以取任意值,它一定对应一个永恒存在的白洞,两者由爱因斯坦—罗森桥,也就是虫洞相连。霍金进一步认为,每个超大质量黑洞都对应一个超大质量白洞,黑洞吞下的物质会从对应的白洞喷出去,这样整个数学模型才完美对称。

这目前只是数学模型,而且有个大问题:这样形成的一对黑洞和白洞,事件视界分别位于两个不同的宇宙中。在人类掌握穿越多元宇宙的手段之前,这一假说无法证明。

所以在我们的宇宙里,看得见黑洞就看不见对应的白洞,反之亦然。

数学归数学,物理归物理。如果白洞真实存在,物理上应该是什么样子?按一般想法,白洞一直往外喷东西,肯定非常亮,应该很好找。

已知最亮的天体是类星体,它曾一度被当成白洞,后来才确认其实是一种黑洞。黑洞都能这么亮,白洞岂不是更亮?

但白洞喷出的物质会在引力作用下聚集,挤得足够密,不就又成了黑洞?提出白洞概念的科学家在1998年就考虑过这一点。

他的计算表明,只要在白洞周围制造轻微扰动,就足以让喷出的物质重新挤成黑洞,把白洞包裹在里面。这样白洞喷出的所有物质,包括光,都会被外层黑洞吸收,外界自然看不见它。

不过这个计算同样无法验证:人们看不到黑洞内部,就算钻进去发现了白洞,也没法把消息带出来。在数学模型中,黑洞一片虚无,白洞耀眼夺目;可在简单的物理作用下,黑洞成了宇宙中最亮的类星体,白洞却可能根本看不见。

这大概就是数学和物理的区别。科学家一直没有放弃寻找白洞。目前观测到最像白洞的现象是伽马射线暴。

超新星爆发、黑洞与中子星合并时,会在短时间内产生伽马射线暴,这是除宇宙大爆炸外已知最剧烈的天文现象。

2006年观测到的一次伽马射线暴却很反常:它来自印第安座,持续了102秒,科学家在其方位没有找到任何超新星的痕迹,而黑洞与中子星合并产生的伽马射线暴一般只持续两秒以下。

白洞可以凭空出现,本身不稳定,能在短时间内释放巨大能量,于是成了解释这次伽马射线暴的一种可能假说。白洞仍只是假说,没有任何确切证据,核心理论还留着一个漏洞。

许多物理定律,包括广义相对论和不考虑摩擦力的牛顿力学,都具有时间反演对称性,时间是可逆的,所以才允许负T存在。但代表宇宙混乱程度的熵会随时间增加,这几乎是一条铁律,已发现的黑洞同样是熵增过程。

白洞作为倒放的黑洞,熵岂不是要随时间减少?很难想象,熵增的宇宙里会存在这样的天体。

如果白洞真的存在,可以这样描述:黑洞是进入其视界的物质注定的未来,被称为“未来奇点”,是时间终止的地方;白洞是逃出其视界的物质无法改变的过去,被称为“过去奇点”,是时间开始的地方。

如果白洞是一切物质的源头、时间开始的地方,听起来就很像宇宙大爆炸。2020年,罗杰·彭罗斯凭借黑洞与相对论研究获得诺贝尔物理学奖。

他在1974年的论文《宇宙中的奇点》中,把白洞和宇宙大爆炸都归为“过去时空奇点”,把黑洞和“最终奇点”,即理论上宇宙终结时坍缩形成的奇点,归为“未来时空奇点”。同属一类的白洞和宇宙大爆炸是同一种东西吗?

既然白洞很难稳定存在,大爆炸又怎么能持续那么久,炸出整个宇宙?大爆炸之后,那么多质量挤在那么小的空间里,宇宙本应很容易在引力作用下重新坍缩成黑洞,为什么没有?

科学家的解释要从星系退行说起。早在1912年,天文学家维斯托·斯里弗就发现遥远星系都在远离我们,后来又发现退行速度与距离成正比。

也就是说,从地球看,周围天体都在均匀远离。这有两种解释:要么地球就是大爆炸的中心,哥白尼的努力就白费了;要么是宇宙空间本身在变大,除了各自的运动之外,所有天体都以相同比例相互远离,宇宙并没有中心。

科学家选择了后者,宇宙大爆炸描述的正是这样一个空间膨胀的过程。这就像用两根手指放大一张图片:图上每个点都在远离周围的点,距离越远,远离得越快,图上找不到放大的中心,从任一点看出去,其他点都在后退。

但物质本身没有变大,变大的只是空间。也正因如此,才有一种“大撕裂”理论认为宇宙最终会被彻底撕裂。

大爆炸是空间本身在膨胀,没有中心;白洞则是位于特定时空中、不断往外喷物质的天体。大爆炸作为宇宙演化模型,描述的是宇宙从诞生到现在的过程,我们周围的空间仍在变大,可以说宇宙至今还在“炸”。

所以,现在的大爆炸是空间膨胀,不是白洞。

那能否彻底断定大爆炸不是白洞?这个问题其实很微妙。现在的大爆炸当然不是白洞,但最初那一刻呢?

根据暴胀理论,大爆炸后约10的-36次方秒,宇宙空间开始急剧暴胀,之后以较慢的速度一直膨胀到今天。问题在于,在那之前发生了什么,目前没有任何模型能够解释。

理论上,在当时极高的温度和能量下,引力会变得极其强大,强到与把质子、中子束缚成原子核的强力相当,同时表现出量子效应。而描述引力最好的理论广义相对论,和量子理论互不兼容。

科学家已有统一强力、弱力和电磁力的理论,却始终无法把引力量子化。所以在真正的万有理论出现之前,我们无法描述大爆炸最初的样子,也很难判断那个阶段的大爆炸是不是白洞,只能说初生的大爆炸和白洞有点像,但没有模型可以比较。

围绕这个空白,研究引力量子化的斯莫林教授提出过一个假说。它的前提和霍金的设想一样:每个黑洞诞生,都必然在另一个宇宙催生一个白洞。

斯莫林进一步设想,这个白洞就是新宇宙的大爆炸,而且每个新宇宙的基本常数各不相同,质子质量不同,光速也不同。每个宇宙长大后,又会像父母一样通过白洞孕育出不同的婴儿宇宙,逐渐繁衍成宇宙族群。

可惜,大多数婴儿宇宙因基本常数不合适,无法形成像我们宇宙这样的秩序:有的刚诞生就坍缩,有的形成不了星云,有的形成不了恒星,更不用说孕育出地球和仰望星空的智慧生命。

经过基本常数的残酷筛选,只有稳定、不出差错的宇宙才能进入“成年期”,孕育出新的黑洞,让族群继续繁衍,我们的宇宙就是其中之一。这就是“多产宇宙”假说,可类比地球生命演化,理解为“宇宙的自然选择”。

黑洞和白洞是宇宙繁衍的必要机制,一代代基本常数的细微差别经过优胜劣汰,才形成了我们这个有序的宇宙,差一点也许就是一片混沌。按这个标准,我们的宇宙产生了这么多黑洞,确实是个“能生”的宇宙。

照斯莫林的设想,我们宇宙的起点,也许正是另一个宇宙里某个黑洞对应的白洞。这个假说虽很合人类的想象,宇宙是否真是这样仍无从知晓。

此外,人类对宇宙的组成还知之甚少:已认识的部分只占宇宙总成分的4%左右,其余是暗物质和更神秘的暗能量。

能帮我们弄清宇宙起点的方法只有一个,就是把相对论和量子理论统一起来的万有理论。1927年那场群星云集的物理学会议之后,爱因斯坦把后半生投入大统一理论的追求,此后一代代最聪明的人也执着于把引力和量子理论合二为一。

数学上更优雅的表达,值得这么多人付出吗?数学之美未必存在于复杂的宇宙之中。

然而此后近百年里,科学家发现了宇宙在加速膨胀,看到了宇宙早期星辰的演化,拍到了黑洞的照片。人们发现,追求万有理论已不只是数学上的执念,它本身就是理解宇宙诞生的终极模型,让人类有机会重建宇宙诞生的过程,设想时间开始的地方。

也许正如当今最聪明的那批人所期望的,在大爆炸后最初10的-43次方秒的普朗克时期,相对论和量子理论本来就是一体,强力、弱力、电磁力和引力本来就是同一种力,我们的宇宙也许本就如此精妙、万里挑一。不过这些仍是期望和推测,有待万有理论来检验。

再看“宇宙因一场大爆炸而诞生”,这句话至少有两处误解。第一,大爆炸根本不是一场爆炸,而是空间本身在膨胀,没有中心,也没有外面。

第二,大爆炸是演化模型,讲的是宇宙诞生之后发生了什么;宇宙为什么诞生、最初那一瞬是什么,至今仍是空白。它和白洞有点像,却无从比较;也可能如斯莫林所设想,来自另一个宇宙的黑洞,但这同样只是假说。真正的答案,还要等万有理论来揭晓。