我們是否身處黑洞之中？

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宇宙的數學特性引發一些宇宙學家的思考：我們的宇宙是否可能誕生於黑洞之中？


在夜晚仰望星空時，人們很容易想像宇宙無邊無際，然而宇宙學家清楚，宇宙其實是有界的。

首先，他們最精確的模型顯示，時空曾有一個起點，一個被稱為「奇點」（singularity）的微小次原子點。這個極端高溫、高密度的奇點在大霹靂（Big Bang）時迅速膨脹。其次，我們可觀測的宇宙受到所謂「事件視界」（event horizon）的限制，這是一個懸崖般的界限，由於宇宙膨脹的速度超過光速，即使是最先進的望遠鏡也無法觀測到這個範圍以外的情形。

「奇點」與「事件視界」同時也是黑洞的重要特徵。這些遍布宇宙的重力巨獸，吞噬氣體、塵埃與光線。就像宇宙一樣，黑洞也被自身的事件視界所限，我們無法觀測到超越這個界限的一切事物，而奇點可能就藏在事件視界之內。也許正因如此，近年有幾篇科學論文提出，我們的整個宇宙可能存在於黑洞之中。

雖然這個想法有些超出傳統宇宙學的範疇，但「生活在黑洞中」這個令人震撼的可能性，可不只是熬夜打瞌睡、天馬行空的學生才會想得到。加拿大滑鐵盧（Waterloo）圓周理論物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的天文物理學家尼亞耶什．阿夫紹迪（Niayesh Afshordi）表示：「這絕對是個合理的想法，只是需要把細節理清楚。」


黑洞宇宙理論簡史


我們理解宇宙所依據的數學，與用來描述黑洞的數學極為相似，兩者皆源自愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論。這個理論指出，空間中的物體會扭曲時空結構，因此決定物體的運動軌跡，並解釋重力如何作用。巧合的是，可觀測宇宙的半徑，恰好等同於一個擁有宇宙質量的黑洞半徑。

多年來，這種相似性讓一些研究者提出宇宙可能存在於黑洞內的可能性。最早在1970年代提出這一概念的，包括理論物理學家拉傑．庫馬爾．帕特里亞（Raj Kumar Pathria）與數學家I.J.古德（I. J. Good）。

大約20年後，物理學家李．斯莫林（Lee Smolin）將這個理論進一步推展，提出每個在宇宙中形成的黑洞，內部都可能孕育出一個新的宇宙，且其物理規律可能與我們略有不同。因此，宇宙會從其他宇宙中「萌芽」，在創造子宇宙的過程中發生變異與「演化」。他將這個概念稱為「宇宙學天擇」（cosmological natural selection）。


我們的宇宙與黑洞恰好相反


雖然這些理論尚未成為主流，但許多物理學家仍承認黑洞與宇宙在概念上確實有所聯繫。「在數學上，它們非常相關，」同在圓周研究所的理論物理學家加札爾．蓋什尼茲賈尼（Ghazal Geshnizjani）說：「它們有點像是彼此的反面。」

我們的宇宙起源於奇點，也就是大霹靂之前密度無限大的一點。相較之下，黑洞則以奇點作為終結，這個極致壓縮的極微小點，如同「垃圾處理器」般將一切壓碎到無法辨識。

黑洞的事件視界──環繞奇點的球面邊界──同樣也是它的「一去不回之處」。在大眾印象中，黑洞經常被描繪成宇宙吸塵器，但實際上，它們相對平靜。一艘太空船可以在黑洞周圍以穩定的軌道運行並逃脫，除非它滑入事件視界之內，從此無法回頭。

宇宙的持續膨脹也導致類似現象。當我們以望遠鏡觀測遠方的星系，會發現遠方天體遠離我們的速度，比近處的天體更快。當距離夠遠時，宇宙膨脹的速度甚至超過光速，星系和恆星迅速被推離，最終消失在宇宙視界的邊界，幾乎就像是被吞入一個「翻轉的黑洞」之中。

呼──聽起來是不是有點讓人頭昏腦脹？別擔心。對科學家而言，重點在於黑洞與宇宙這些表面上的相似性，並不代表它們就是同一個東西。若要真正做出這樣的推論，物理學家必須先弄清楚這種假設可能有哪些可觀測的結果。

美國田納西州納許維爾（Nashville）范登堡大學的物理學家亞歷克斯．盧普薩卡（Alex Lupsasca）指出：「我們提出的理論會帶來可檢驗的結果。如果實驗否定了理論的預測，那麼我們就能判斷這些假設不成立，甚至是錯誤的。」


如何驗證宇宙是否存在於黑洞之內


如果我們的宇宙真的存在於黑洞之內，那會有什麼可觀測的後果呢？一種可能性是，宇宙會呈現某種自然的方向性──例如星系旋轉可能偏向同一方向，或大霹靂殘留的熱輻射可能會呈現細微的軸向差異。阿夫紹迪說：「你會預期在我們的宇宙中出現某種梯度，一邊指向黑洞中心，另一邊則朝向黑洞外部。」

然而，我們最精確的觀測結果顯示，宇宙在最大尺度上相當均勻。物理學家將這種現象稱為「宇宙學原則」（cosmological principle），意思是宇宙不存在特殊的方向，且在各處看起來都大致相同。這樣的均勻性若源自於黑洞誕生，便是主張宇宙存在於黑洞之內所必須面對的挑戰。畢竟，黑洞源自垂死恆星，而它們的形成過程既混亂又不均勻。

還有黑洞奇點的問題。那個無限微小的點，對任何落入其中的物體而言，都是無可避免的最終歸宿──與迅速膨脹的宇宙恰好相反。

要解決這些難題，物理學家必須找到方法，將20世紀最成功的兩大理論結合起來：適用於最大尺度的廣義相對論，以及掌控最小尺度的量子力學。由於奇點是「質量極大卻尺寸極小」的存在，單憑其中任何一種理論都無法完整描述，必須仰賴兩者的融合。然而，儘管科學家多次嘗試，「量子重力學」（quantum gravity）的完整理論至今仍未出現。因此，我們依然無法確知黑洞內部，或是大霹靂之前，究竟發生了什麼。

儘管如此，宇宙學家一致認為，探索這些可能性既令人著迷，也可能帶來新的發現。或許，他們甚至會因此重新審視現有的宇宙模型，發現宇宙真的存在於黑洞之中。



資料來源 : 國家地理
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