孕育宇宙大爆炸的黑洞

希腊哲学家柏拉图在他的《洞穴寓言》中描述了一些囚犯，他们一生都被锁在一个黑暗洞穴的墙壁上。囚犯身后有一团火焰，火焰和囚犯之间游行着一些物体，这些物体将阴影投射到囚犯视野中的墙壁上。这些二维阴影是囚犯们唯一见过的东西——他们唯一的现实。他们的枷锁阻止了他们感知真实世界，一个比他们所知的世界多一个维度的领域，一个充满复杂性的维度，并且——囚犯们不知道——能够解释他们所看到的一切。

柏拉图说中了一些道理。

我们可能都生活在一个巨大的宇宙洞穴中，它是在存在之初创造的。在标准的说法中，宇宙是在一场始于无限致密点的宇宙大爆炸中诞生的。但是根据我们最近进行的计算，我们或许能够将宇宙的开端追溯到宇宙大爆炸之前的时代——一个具有额外空间维度的时代。这个原始宇宙可能留下了可见的痕迹，即将到来的天文观测可能会揭示这些痕迹。

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在我们看来，宇宙存在于三个空间维度和一个时间维度中——我们将这种几何结构称为“三维宇宙”。在我们的设想中，这个三维宇宙仅仅是一个具有四个空间维度的世界的阴影。具体而言，我们的整个宇宙是在这个超宇宙中的一次恒星内爆期间诞生的，这次内爆在一个四维黑洞周围创造了一个三维外壳。我们的宇宙就是那个外壳。

我们为什么要假设听起来如此荒谬的东西？我们有两个理由。首先，我们的想法并非无稽之谈——它们牢固地扎根于描述空间和时间的数学理论中。

在过去的几十年里，物理学家们发展出了一种丰富的全息理论，这是一套数学工具，使他们能够将一个维度中事件的描述转化为不同维度的物理学。研究人员可以求解二维流体动力学中相对简单的方程，并使用这些解来理解更复杂的系统中正在发生的事情——例如，三维黑洞的动力学。从数学上讲，这两种描述是可互换的——流体是奇异黑洞的完美类比。

全息术的成功使许多科学家相信，这里起作用的不仅仅是简单的数学变换。也许维度之间的界限没有我们想象的那么稳定。也许宇宙的规则是用另一组维度写成的，并被翻译成我们感知到的三个维度。也许，就像柏拉图的囚犯一样，我们的个人境况欺骗我们相信世界是三维的，而事实上，只有当我们在第四维度中寻找解释时，才能更深入地理解我们所感知到的东西。

我们值得思考四维宇宙还有第二个原因。对这个宇宙的深入研究可能有助于我们理解关于宇宙起源和本质的深刻问题。例如，考虑一下宇宙大爆炸，那是使我们的宇宙诞生的原始闪光。现代宇宙学认为，宇宙大爆炸之后紧接着是“暴胀”——一个空间快速膨胀的时期，早期宇宙的体积增加了10⁷⁸倍（或更多）。然而，这种膨胀并没有提供关于是什么导致宇宙大爆炸的任何见解。相比之下，我们的四维宇宙为我们提供了终极奥秘的答案：宇宙从何而来？

已知和未知的宇宙

我们对四维宇宙的研究源于我们在思考三维宇宙时遇到的问题。现代宇宙学取得了巨大的成功，但其成功掩盖了深刻而复杂的奥秘，这些奥秘可能可以通过全息解释来解决。

宇宙学家可以使用几个方程（其中最主要的是阿尔伯特·爱因斯坦提供的方程）和五个独立的数字或参数来描述整个宇宙的历史——从今天一直追溯到宇宙大爆炸后不到一秒的时间。这些参数包括普通物质、暗物质和暗能量的密度（稍后会详细介绍），以及早期宇宙中量子涨落的幅度和形状。这个模型——Lambda 冷暗物质 (Λ-CDM) 宇宙学范式——描述了数百个（如果不是数千个）观测数据点，涵盖了从一百万光年到 100 亿光年的尺度，一直到我们可观测宇宙的边缘。

但是，这些观测上的成功并不意味着我们的任务已经完成。宇宙的故事充满了令人困扰的漏洞。我们面临着关于宇宙本质的根本问题——这些问题我们至今尚未能够回答。

问题 1：我们不理解这五个参数。

我们对 Λ-CDM 模型的五个参数的起源没有令人满意的解释，其中一些参数必须非常精确地选择才能与观测结果一致。考虑宇宙中物质和能量的密度。仅仅在几十年前，天文学家还认为普通物质——构成元素周期表的元素——将是质量-能量的主要形式。宇宙学观测彻底修正了这一图景（并在此过程中获得了三项诺贝尔奖）。我们现在知道，普通物质的密度仅占宇宙总能量密度的 5%。

另外 25% 以暗物质的形式存在，暗物质是一种未知的物质形式，其存在是从其引力吸引中推断出来的。宇宙的 70% 由暗能量构成，暗能量是一种神秘物质，它导致我们宇宙的膨胀速度加快，而不是因为引力吸引而减慢。什么是暗物质和暗能量？为什么它们分别占宇宙的 25% 和 70%？我们不知道。

如果我们更好地理解宇宙大爆炸——空间和时间在温度高于 10²⁷ 度的辐射和粒子热等离子体中的突然起源——也许答案就会出现。很难想象，像宇宙大爆炸后瞬间的情况如何导致我们今天观察到的——一个温度几乎均匀，并且具有平坦、大规模空间几何结构（三角形的角之和为 180 度）的宇宙。

宇宙暴胀可能是我们理解宇宙大规模结构的最好想法。暴胀会倾向于“压平”宇宙，消除时空的任何弯曲区域，并使其达到均匀的温度。就像宇宙放大镜一样，暴胀还在这个过程中将能量密度中的微小量子涨落放大到宇宙尺度。这些涨落反过来又成为星系、恒星、行星，甚至像我们这样的生物体等结构生长的种子。

暴胀通常被认为是一个非常成功的范式[参见上图]。几十年来，宇宙学家一直在通过观测宇宙微波背景 (CMB) 辐射来检验暴胀的预测，宇宙微波背景辐射是早期宇宙中密度涨落的宇宙记录。普朗克卫星的观测证实，我们的宇宙是平坦的（或非常接近平坦），并且均匀性优于 60,000 分之一——正如暴胀所预测的那样。此外，观测到的原始物质涨落的幅度和形状与我们期望暴胀放大量子真空的方式大致一致。

问题 2：我们不完全理解暴胀。

我们可能会问是什么驱动了这种暴胀，它需要大量的能量。我们想象，在宇宙大爆炸后不久，宇宙充满了能量，这种能量以一种名为暴胀子（发音为“IN-flah-tahn”）的假想粒子的形式存在。希格斯粒子于 2012 年由日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机发现，它与提议的暴胀子具有许多相同的特性，并且是其可能的候选者。暴胀子可能既负责早期的加速膨胀，也负责我们宇宙中的结构，因为早期宇宙中唯一显着的密度差异是由暴胀子场能量中的微小量子涨落引起的。

但是暴胀子并没有解决我们的问题；它只是把问题往后推了一步。暴胀子的性质、它的来源以及如何找到它仍然是谜。我们不确定它是否真的存在。

此外，物理学家不明白如何自然地结束暴胀。如果某种能量场驱动着指数膨胀的宇宙，那么是什么使该场突然关闭？而且，我们缺乏对暴胀时代之前——宇宙大爆炸后最初的万亿分之一万亿分之一万亿分之一秒——我们的宇宙历史的令人满意的描述。

问题 3：我们不明白这一切是如何开始的。

宇宙学最大的挑战是理解宇宙大爆炸本身——所有空间、时间和物质从一个无限致密点（称为奇点）突然、猛烈地出现。奇点是一件难以想象的奇异事物，一个空间和时间自身弯曲的点，使得不可能区分未来和过去。所有物理定律都失效了。奇点是一个没有秩序或规则的宇宙。从奇点中可能会出现任何逻辑上可能存在的东西。我们没有理由认为奇点会产生一个像我们看到的宇宙一样有序的宇宙。

我们预计宇宙从奇点中出现将是难以想象的混乱，其特点是从一个点到另一个点存在巨大的温度波动。此外，暴胀的放大能力可能不会使一切都变得平滑。事实上，如果这些波动太大，暴胀可能永远没有机会开始。仅靠暴胀无法解决奇点的问题。

奇点很奇怪，但并非不熟悉。它们也形成于黑洞的中心，黑洞是巨型恒星坍塌后的遗骸。所有恒星都是核熔炉，它们将较轻的元素（主要是氢）聚变成较重的元素。核聚变过程为恒星的大部分生命提供能量，但最终恒星耗尽了所有核燃料，引力接管。一颗质量至少是我们太阳 10 倍的恒星会在作为超新星爆炸之前自身坍塌。如果恒星更大——15 到 20 个太阳质量或更多——超新星将留下一个致密的核，该核会发生失控坍塌，收缩成零大小的点——一个黑洞。

黑洞可以被认为是空间区域，甚至光线也无法从中逃脱。由于光速是任何形式的物质可以达到的最大速度，因此黑洞的边界——一个称为事件视界的二维表面——是一个不归路点：一旦恒星物质（或任何其他物质）落入此边界内，它就会与宇宙的其余部分隔绝，并不可避免地被拉向中心的奇点。

与宇宙大爆炸一样，物理定律在这个奇点处也失效了。然而，与宇宙大爆炸不同的是，黑洞被事件视界包围。这个表面就像装甲包装纸一样——它可以防止任何关于奇点的信息泄漏出来。黑洞的事件视界保护外部观察者免受奇点灾难性的不可预测的影响。

事件视界有效地使奇点失效，使得物理定律有可能描述和预测我们观察到的一切。从远处看，黑洞似乎是一个简单、光滑且均匀的结构，仅由其质量和角动量（以及电荷，如果有的话）来描述。尽管物理学家最近提出了一些有趣的问题，即这种传统图景是否与量子物理学一致，但宇宙学中的工作假设是黑洞被其事件视界所笼罩。

相比之下，宇宙大爆炸奇点（正如通常理解的那样）没有被笼罩。它没有事件视界。我们希望有一种方法可以保护自己免受宇宙大爆炸奇点及其灾难性的不可预测性的影响，也许通过类似于事件视界的东西。

我们已经提出了这样一种情景。它将宇宙大爆炸变成了一种宇宙海市蜃楼。我们的图景像事件视界笼罩黑洞中心的奇点一样，笼罩着宇宙大爆炸的奇点。这种笼罩保护我们免受奇点反复无常和邪恶的影响。

超维度坍塌

这样的笼罩层在一个关键方面与普通事件视界不同。因为我们认为我们的宇宙具有三个空间维度，所以笼罩宇宙大爆炸中心奇点的事件视界也必须具有三个空间维度——而不仅仅是两个。如果我们想象这个事件视界也是由于宇宙坍塌而产生的——就像黑洞的二维事件视界是由三维恒星的坍塌形成的——那么坍塌就必须发生在具有四个空间维度的宇宙中。

这种超维度情景，其中空间维度的数量超过明显的三个，这个想法几乎与广义相对论本身一样古老。它最初由西奥多·卡鲁扎于 1919 年提出，并由奥斯卡·克莱因在 1920 年代扩展。他们的想法在很大程度上被遗忘了半个多世纪，直到 1980 年代研究弦理论的物理学家重新拾起。最近，科学家们用它来构建所谓的膜世界宇宙学。

膜世界的基本思想是，我们的三维宇宙是一个嵌入在更大空间（四个或更多空间维度）中的亚宇宙。三维宇宙称为膜，更大的宇宙称为体。所有已知的物质和能量形式都像投射在屏幕上的电影（或柏拉图洞穴中囚犯的阴影现实）一样粘附在我们的三维膜上。例外是引力，它渗透到所有更高维度的体中。

让我们思考一下可能在宇宙大爆炸之前存在的四维空间维度的体超宇宙。我们可以想象这个体宇宙充满了诸如四维恒星和四维星系之类的物体。这些更高维度的恒星可能会像我们的三维恒星一样耗尽燃料，并坍塌成黑洞。

四维黑洞会是什么样子？它也将具有事件视界，一个不归路表面，光线无法从中逃脱。但是，与我们普通黑洞中的二维表面不同，四维黑洞将产生一个具有三个空间维度的事件视界。

事实上，通过模拟四维恒星的坍塌死亡，我们观察到，在一定假设条件下，从恒星坍塌中喷射出的物质可以形成一个缓慢膨胀的三维膜，围绕着这个三维事件视界。我们的宇宙就是这个三维膜——对于坍塌成黑洞的四维恒星来说，它是一种全息图。宇宙大爆炸奇点对我们来说变得隐藏起来，永远被锁定在三维事件视界之后。

这是真的吗？

我们的模型有很多优点，首先是它消除了产生宇宙的裸奇点。但是其他长期存在的宇宙学问题，例如宇宙的近乎平坦和高度均匀性又如何呢？由于四维体宇宙可能在过去无限长的时间里一直存在，因此体中的任何热点和冷点都有足够的时间达到平衡。体宇宙将是光滑的，我们的三维膜宇宙将继承这种光滑性。

此外，由于四维黑洞也显得几乎没有特征，因此我们新出现的三维膜宇宙也将同样光滑。四维恒星的质量越大，三维膜就越平坦，因此我们宇宙的平坦性是其作为重恒星坍塌的残留碎屑的结果。

通过这种方式，我们的全息宇宙大爆炸模型不仅解决了标准宇宙学中均匀性和近乎平坦性的主要难题，而无需诉诸暴胀，而且还消除了初始奇点的破坏性影响。

这个想法听起来可能很疯狂，但有几种方法可以对其进行测试。一种方法是通过研究宇宙微波背景辐射。在我们的三维膜之外，我们预计会存在一些额外的四维体物质——一些被黑洞的引力拉近的东西。我们可以证明，这种额外物质中的热波动将在三维膜上产生波动，从而以小的但可能可测量的量扭曲 CMB。我们最新的计算表明，我们的模型与最新数据大致一致，但一些简单的暴胀模型提供了更好的详细拟合。

我们的模型可能缺少一些部分吗？例如，如果四维黑洞在旋转（黑洞旋转非常常见），那么我们的三维膜在所有方向上可能看起来都不一样。我们宇宙的大规模结构在不同方向上看起来会略有不同。天文学家也可能通过研究 CMB 天空中细微的变化来找到这种方向性。

当然，即使全息宇宙大爆炸可能解决了一个巨大的问题——我们宇宙的起源——但它同时也引发了一系列新的谜团。其中最重要的是：我们宇宙的母宇宙从何而来？

为了找到这个谜题的答案，我们可能再次求助于柏拉图。当柏拉图的囚犯从洞穴中出来时，阳光灼伤了他们的眼睛。他们花了一些时间来适应亮度。起初，囚犯只能辨认出阴影和反射。很快他们就能看到月亮和星星。最后，他们正确地得出结论，太阳是“我们所看到的一切的创造者”——白天、黑夜、季节和阴影。

柏拉图的囚犯不了解太阳背后的力量，就像我们不了解四维体宇宙一样。但至少他们知道在哪里寻找答案。

来自创世的低语还是 银河尘埃？

寻找来自宇宙大爆炸的引力波的探索可能会揭示宇宙是如何开始的线索

除了异常寒冷的冬天遗留下的糟糕天气外，2014 年 3 月的第二周像其他任何一周一样开始。但随后，宇宙学界开始流传关于哈佛-史密森天体物理中心即将发布公告的传言。传言在周末传到了 Facebook、Twitter 和博客圈。细节开始浮出水面。这不是任何普通的公告，而是一种如果正确的话，一生只会发生一次的公告。这是我们大多数人梦想只有在几十年后，如果我们幸运的话，才能看到的东西。

BICEP-Keck 合作项目的公告称，位于地理南极的一组微波望远镜在宇宙微波背景的偏振中发现了惊人的模式。如果这些模式是在早期宇宙中产生的，正如合作者认为可能的那样，它们将证实宇宙暴胀理论 30 年前的预测：最简单的暴胀模型可以产生可观测水平的引力波，与早期宇宙中的密度或温度波动相当。这也将是我们首次直接证明引力的量子性质，这是过去一个世纪理论物理学中最突出的难题。

然而，在科学中，就像在生活中一样，事情很少像它们最初看起来那样简单。例如，预测可观测水平引力波的简单暴胀模型也表明，欧洲航天局普朗克卫星观测到的温度波动中应该已经看到了这些波的迹象。但事实并非如此！此外，来自我们星系尘埃的微波辐射往往是偏振的，这可能会混淆 BICEP-Keck 的观测结果，至少在某种程度上是这样。

事实证明，普朗克团队在 2014 年末发布的进一步数据显示，最初的 BICEP-Keck 分析低估了他们地图中尘埃污染的程度。银河系中的尘埃实际上可能解释了他们所有的信号。然而，现在计划或正在进行的新实验将在未来十年内显着改进。这些实验应该会进一步揭示宇宙大爆炸后的最初时刻。

—N.A., R.B.M. 和 R.P.