新理论认为，大爆炸可能不是一切的开始

这Big Bang通常被描述为宇宙的爆炸性诞生——空间、时间和物质诞生的单一时刻。

但是，如果这根本不是开始呢？如果我们的宇宙是从其他东西中出现的——同时又更熟悉、更激进的东西呢？

在一篇新论文中，发表于 Physical Review D，我和我的同事们提出了一个引人注目的替代方案。我们的计算表明，大爆炸并不是一切的开始，而是引力紧缩或坍缩的结果，形成了一个非常大的质量黑洞– 然后是内部的反弹。

这个我们称之为黑洞宇宙的想法，对宇宙起源提出了截然不同的看法，但它完全基于已知的物理学和观测。

今天的标准宇宙学模型基于大爆炸和宇宙膨胀（早期宇宙尺寸迅速膨胀的观点）在解释宇宙的结构和演化方面取得了非常成功。但这是有代价的：它使一些最基本的问题没有得到解答。

首先，大爆炸模型从一个奇点开始——一个无限密度的点物理定律瓦解的地方.这不仅仅是一个技术故障;这是一个深刻的理论问题，表明我们根本没有真正理解开始。

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短暂的快速膨胀阶段，称为宇宙膨胀，由具有奇怪属性的未知字段提供动力。后来，为了解释今天观察到的加速膨胀，他们添加了另一个“神秘”的成分：暗能量.

简而言之，标准型号的宇宙学运作良好——但仅限于通过引入新成分我们从未直接观察过。与此同时，最基本的问题仍然悬而未决：所有东西都来自哪里？为什么会这样开始呢？为什么宇宙如此平坦、光滑和巨大？

新型号

我们的新模型从不同的角度解决了这些问题 - 通过向内而不是向外看。我们不是从一个膨胀的宇宙开始并试图追溯它是如何开始的，而是考虑当一个过于密集的物质集合在引力下坍缩时会发生什么。

这是一个熟悉的过程：星星坍缩成黑洞，它们是物理学中最容易理解的对象之一。但是，在黑洞内部，在什么都无法逃脱的事件视界之外，会发生什么，仍然是一个谜。

1965 年，英国物理学家罗杰·彭罗斯 （Roger Penrose） 证明，在非常普遍的条件下，引力坍缩必然导致奇点.此结果为由已故英国物理学家斯蒂芬·霍金 （Stephen Hawking） 等人扩展》的结尾支持了这样一种观点，即奇点——就像宇宙大爆炸一样——是不可避免的。

这个想法帮助彭罗斯赢得了 2020 年诺贝尔物理学奖，并激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”。如果我们把量子力学的影响也包括进来，它支配着原子和粒子的微小微观世界，就像我们在极端密度下必须的那样，情况可能会改变。

在我们的新论文，我们表明引力坍缩不一定以奇点结束。我们找到一个精确的解析解 - 一个没有近似值的数学结果。我们的数学表明，当我们接近潜在奇点时，宇宙的大小会随着宇宙时间的（双曲线）函数而变化。

这个简单的数学解决方案描述了坍缩的物质云如何达到高密度状态，然后反弹，向外反弹进入新的膨胀阶段。

但是，彭罗斯定理为什么禁止这样的结果呢？这一切都归功于一个名为量子排除原理，它指出没有两个相同的粒子称为费米子可以占据相同的量子态（例如角动量或“自旋”）。

我们表明，这条规则可以防止坍缩物质中的粒子被无限期地挤压。结果，崩溃停止并反转。反弹不仅是可能的，而且在适当的条件下是不可避免的。

至关重要的是，这种反弹完全发生在广义相对论，它适用于恒星和星系等大尺度，并结合了量子力学的基本原理——不需要奇异的场、额外的维度或推测物理学。

在反弹的另一侧出现的是一个与我们自己的宇宙非常相似的宇宙。更令人惊讶的是，反弹自然会产生加速扩张的两个独立阶段——通货膨胀和暗能量– 不是由假设的场驱动，而是由反弹本身的物理学驱动。

可测试的预测

该模型的优势之一是它可以做出可测试的预测。它预测了少量但不为零的正空间曲率 - 即宇宙不完全平坦，但略微弯曲，就像地球表面一样。

这只是引发崩溃的最初小的过密度的遗留物。如果未来的观察结果（例如正在进行的Euclid 任务，证实了一个小的正曲率，这将是一个强烈的暗示，表明我们的宇宙确实是从这样的反弹中出现的。它还对当前宇宙的膨胀速度做出预测，这一点已经得到验证。

这个模型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之谜提供新的视角——例如超大质量黑洞的起源、暗物质或星系的分层形成和演化。

这些问题将在未来的太空任务中探讨，例如阿拉基斯，它将研究恒星晕（恒星和星系周围的球状星系团的球形结构）和卫星星系（围绕较大星系运行的较小星系）等漫射特征，这些特征很难用地球的传统望远镜探测到，并将帮助我们了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物体（例如黑洞）有关。

黑洞宇宙还为我们在宇宙中的位置提供了新的视角。在这个框架中，我们的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。

我们并不特殊，就像地球在地心世界观中一样，导致伽利略（16 世纪和 17 世纪提出地球围绕太阳旋转的天文学家）被软禁。

我们见证的不是万物从无到有的诞生，而是宇宙周期的延续——一个由引力、量子力学以及它们之间的深层相互联系所塑造的周期。

恩里克·加斯塔纳加， 朴茨茅斯大学宇宙学与引力研究所教授，朴茨茅斯大学

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