我們所認知的宇宙有沒有可能本身就是一個黑洞？

尼亞耶什·阿弗肖迪（加拿大滑鐵盧大學物理學和天文學系的助理教授）

羅伯特·B·曼（滑鐵盧大學物理學和天文學系的教授及前系主任，曾擔任加拿大物理學家協會主席）

拉茲·帕哈桑（圓周理論物理研究所和滑鐵盧大學的博士生）

翻譯 易疏序（中科院高能物理研究所粒子天體物理專業博士生，研究方向為中子星計時探測引力波）

古希臘哲學家柏拉圖在他的作品《洞穴寓言》（Allegory of the Cave）中，描述了這樣一群囚徒：他們終生居住在一個黑暗洞穴中，脖子和腳被鎖住，無法環顧四周，只能面向洞穴岩壁。在囚徒身後，有一堆篝火。在篝火與囚徒之間，有著形形色色的物體，火光將那些物體的影子投射到囚徒眼前的岩壁上。這些二維影子就是囚徒們所能看到的全部，他們認為這就是現實世界。但真實情況是，世界要比他們認為的二維世界多出一個維度，鎖鏈讓他們無法回頭看到這個真實的世界。這個不為囚徒所知的額外維度，精彩而複雜，可以解釋他們在岩壁上看到的一切。

柏拉圖的這一寓言，可能說出了我們的真實處境。

我們也許正生活在一個巨大的宇宙洞穴中，這個洞穴在萬物之初就出現了。按照標準說法，宇宙是由一個密度無限大的點經過大爆炸而產生的。但通過最近開展的一些計算工作，我們可能會將宇宙的誕生追溯到大爆炸之前的紀元里，那時的空間要比現在的宇宙空間多出一個維度。即將開展的一些天文觀測，可能會找到這個「原初宇宙」（ protouniverse）留下的一些蛛絲馬跡。

以往的經驗告訴我們，宇宙有3個空間維度和1個時間維度，我們將這種幾何結構定義為「三維空間宇宙」。但在我們的新宇宙模型里，這個三維宇宙不過是一個四維宇宙的投影。明確來說，我們整個宇宙誕生於高維宇宙中的一次恆星塌縮。這次塌縮在四維宇宙中產生了一個四維黑洞；黑洞的三維表面，就是我們生活的宇宙。

我們幹嘛要提出這樣一個聽起來很荒誕的理論？這有兩個理由。第一，我們的理論並非異想天開，它有堅固的數學基礎，從而可以正確描述時空。

過去幾十年，物理學家發展出了完善的全息理論（theory of holography）。他們有一套數學工具，可以將某個維度上的物理過程，轉而在另一個維度上描述。舉例來說，二維空間中的流體動力學方程相對簡單，研究人員就可以解出方程，並利用這些二維解來理解一些更複雜的系統，比如三維黑洞的動力學過程。在數學上來說，這兩種描述是相通的——人們可以用流體來完美類比難以捉摸的黑洞。

全息理論的成功使很多科學家相信，它可能是一個深層次、根本性的理論，而不僅僅是一個數學變換那麼簡單。或許，不同維度之間的界限，並不像我們想像得那麼難以逾越；或許，宇宙基本原理是存在於另一個維度中的，然後被轉換到我們看到的這個三維世界中；或許，就像柏拉圖寓言中的囚徒，日常經驗欺騙了我們，讓我們誤以為世界是三維的，只有當我們把目光投向第四個維度時，一切才會豁然開朗。

四維宇宙假說值得關注的另一個原因是，通過嚴謹地研究四維宇宙，或許可以幫助我們了解宇宙的本質，回答宇宙起源之謎，比如創世的閃光——大爆炸之謎。現代宇宙學認為，在大爆炸之後，宇宙緊接著進入了空間極速膨脹的時期——暴脹（inflation），在此期間早期宇宙的體積增加了10^78倍以上。不過，暴脹學說仍沒能回答，是什麼導致了大爆炸。相比之下，四維宇宙模型回答了這個終極謎題：宇宙究竟從何而來？

已知與未知的宇宙

我們研究四維宇宙正是為了解決三維宇宙中存在的問題。現代宇宙學已經取得了巨大的成功，但成功的光環下，卻隱藏著深刻而複雜的謎團。對這些謎團的求索，讓研究人員想到了全息理論。

宇宙學家用幾個簡單的方程（其中最重要的幾個是愛因斯坦寫出來的）和5個獨立參數，就能描述整個宇宙的歷史——從今天一路回溯到大爆炸後的一剎那。這5個獨立參數為：普通物質、暗物質和暗能量各自的相對能量密度（我們會在後面的內容中詳細說明），以及早期宇宙量子漲落的幅度和功率譜。他們用一個標準的宇宙學模型——Λ 冷暗物質（lambda Cold Dark Matter，Λ-CDM）模型，描述了數百個甚至可能是數千個觀測數據點，這些數據覆蓋的空間尺度從百萬光年到百億光年，到達了可見宇宙的邊緣位置。不過，觀測上的成功並不代表我們對宇宙的研究大功告成了。研究人員推測的這一宇宙演化版本，仍然有很多令人感到棘手的漏洞。我們遇到了有關宇宙本質的最根本問題，而且到目前為止，我們仍無法對這些問題做出解答。

問題1：我們並不理解這5個參數

讓我們來想想宇宙中物質和能量的密度吧。哪怕只是數十年以前，天文學家都還相信，普通物質（元素周期表裡的那些物質）是宇宙質量能量的主要形式。後來的宇宙學觀測徹底顛覆了這個觀念（這也帶來了3個諾貝爾獎）。我們現在知道，在宇宙全部能量密度中，普通物質只佔5%，暗物質則佔到了25%。暗物質是一種未知的物質形式，科學家通過引力作用推測出了它們的存在。宇宙中剩下的70%是暗能量，普通物質的引力作用理應讓宇宙的膨脹減慢，而暗能量這種神秘的東西卻加速了宇宙的膨脹。暗物質和暗能量是什麼？它們為何能佔據25%和70%的宇宙成分？這些問題我們不得而知。

如果我們能更好地理解大爆炸，也許就能知道這些問題的答案了。在一團由光和粒子組成的、溫度高達10^27℃的等離子體中，時間和空間突然創生。很難想像，在那樣一種極端情況下創生的宇宙，居然會演化成我們今天所看到的這種情形——溫度幾乎處處相同，在大尺度上具有平直的空間曲率（在這樣的空間曲率下，三角形的內角和是180°）。

暴脹可能是讓我們理解宇宙大尺度結構的最好假說了。暴脹能「拉直」宇宙，抹平時空的彎曲部分，讓宇宙的溫度變得均勻。就像宇宙放大鏡一樣，暴脹也把宇宙初期微小的能量密度量子漲落放大到宇宙學尺度。這些漲落最終變成大尺度結構的種子，也就是星系、恆星、行星和包括我們在內的生命的種子。

暴脹學說是一個被廣泛接受的成功理論（見「大爆炸之前」）。數十年來，宇宙學家通過觀測宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background，CMB）來檢驗暴脹學說的各種預言。CMB記錄了早期宇宙的密度擾動情況。歐洲空間局（European Space Agency）的普朗克衛星最近的觀測結果，證實了我們的宇宙是平直（或者非常接近平直）而且均勻的（各向異性不超過六萬分之一）——這兩點都是暴脹學說的重要預言。此外，人們認為原初物質漲落是暴脹將量子漲落放大得來的，衛星觀測到的原初物質的漲落功率譜和幅度，與理論預期符合得非常好。

問題二：我們並沒有真正理解暴脹

我們可能會問：是什麼驅動了暴脹的發生？如何提供這麼大的能量？在我們的想像中，在大爆炸結束後極短的時間內，宇宙充滿了能量，這些能量以一種假想粒子的形式存在，即「暴脹子」（inflaton）。最近，科學家在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上發現的希格斯粒子（Higgs particle），與「暴脹子」這一假想粒子有很多相似的性質，可能是「暴脹子」的候選者之一。「暴脹子」不僅能解釋宇宙早期的加速膨脹，也能解釋如今的宇宙結構，因為在早期宇宙中， 「暴脹子」場能量的微小量子漲落，是唯一能導致顯著的能量密度差異的機制。

不過，「暴脹子」並不能解決我們的問題，它只是把問題又向前推進了一步。我們不知道「暴脹子」的性質，不知道它從何而來以及如何找到它，我們甚至不確定它是否真的存在。

此外，物理學家不知道暴脹是如何自然地停止的——這就是所謂的「優雅退場疑難」（graceful exit problem）。如果一種能量場驅動了宇宙以指數級膨脹，那麼，是什麼讓這個能量場突然「關閉」？同時，在Λ-CDM模型中的5個宇宙學參數，其中一些參數必須被精確地調整到當前數值，否則我們觀測到的宇宙會面目全非，但對於這5個參數的起源，我們也沒有一個令人信服的解釋。並且，對於暴脹發生之前的宇宙——宇宙誕生的最初萬億億億億分之一秒（10-36秒）內，我們也沒有一個確定的描述。

問題三：我們不理解大爆炸是如何開始的

宇宙學領域的最大挑戰是，如何理解大爆炸本身的性質：在一個密度無窮大的點——奇點（singularity），一切時間、空間、物質突然劇烈地噴薄而出。奇點是一個令人難以理解的「怪物」，時間和空間蜷曲於其中，在那裡根本無法分辨過去和未來，一切物理定律也都失效。奇點是一個沒有秩序、沒有規則的宇宙。從奇點中跳出任何東西，在邏輯上都是成立的。但從奇點中跳出來一個像我們看到的宇宙一樣有秩序的宇宙，是不太可能發生的。

我們能夠想像的情形是，從奇點中有可能跳出一個高度混亂的宇宙，那個宇宙的特點是，溫度有劇烈的空間漲落，也就是說，在宇宙空間中，不同點的溫度有著巨大的差異。而且，那個宇宙里的暴脹可能不能將這些漲落抹平。事實上，如果溫度的漲落太大的話，暴脹可能都沒有機會發生。因此，奇點的問題不能全靠暴脹來解決。

奇點雖然奇怪，但並非極其罕見，我們在另一個地方——黑洞的中心，也能瞥見其魅影。黑洞是巨星塌縮的遺骸。所有的恆星都是核聚變反應爐，在那裡，輕元素（主要是氫）聚合成重元素。核聚變過程提供了恆星一生的大部分能量。不過最終，核燃料耗盡，引力開始起主宰作用。在引力作用下，一顆比太陽至少重10倍的恆星會發生塌縮，然後引爆超新星爆發。如果恆星再大一些，達到15~20個太陽質量或者更大的質量，超新星爆髮結束後會留下一個緻密的核心，這個核心會失控地塌縮，形成黑洞。

黑洞是一片連光線都無法逃脫的空間區域，而光速是任何形式的物質可以達到的速度上限，因此任何物質只要跨過了黑洞的邊界——一個被稱為事件視界（event horizon）的二維面，便有去無回。一旦恆星物質或是其他什麼東西落入了這個邊界，它們與宇宙中的其他部分也就切斷了聯繫，會被無情地拉向黑洞中心的奇點。

正如在宇宙大爆炸起點物理定律會失效，在黑洞的奇點處，已知的物理規律也同樣不再適用。與大爆炸不同的是，黑洞的奇點被視界包圍著。視界的作用就像是一層堅固的包裝紙，防止任何奇點信息泄露出去。黑洞的視界擋住了黑洞外部的觀察者，使他們無法觀察到奇點的那些不可思議的性質［這就是所謂的宇宙監督假設（cosmic censorship）］。

奇點被視界包裹，這一點十分重要，它使我們能夠用熟悉的物理定律來描述和預測我們所能觀測到的世界。對於一個遠處的觀察者而言，黑洞具有簡單、光滑、均勻的時空結構，因此僅僅用質量、角動量以及電荷就可以充分描述了。物理學家把這戲稱為「黑洞沒有毛」——除了質量、角動量和電荷之外，就沒有可以區分不同黑洞的細節了。

與黑洞中的奇點相反，大家普遍認為，大爆炸的奇點沒有被包裹，它沒有事件視界。我們也希望有一種方法，比如存在某種類似視界的東西，能夠把這個令人不舒服的奇點與我們隔離開。

我們的理論正是提供了這樣一個方法，在這個理論中，宇宙大爆炸其實是一個幻景。我們的理論可以將大爆炸的奇點包裹起來，正如事件視界將黑洞奇點包裹起來一樣。這樣我們就避開了可怕的大爆炸奇點。

與普通的事件視界相比，大爆炸奇點的「隱身斗篷」有一個關鍵的不同之處。因為我們感知到的這個宇宙有3個空間維度，因此遮蔽宇宙大爆炸中心奇點的東西也應該是三維的，而不應該像視界一樣是二維的。黑洞的二維事件視界是三維空間的恆星塌縮產生的，那我們也可以做出這樣一種假設：遮蔽大爆炸奇點的三維事件視界，就應該是四維宇宙里的恆星塌縮產生的了。

額外維理論要求空間維數超過直觀的三維，這一想法的提出時間，幾乎與廣義相對論一樣久遠。它最早由特奧多爾·卡盧察（Theodor Kaluza）於1919年提出，在上世紀20年代，奧斯卡·克萊因（Oskar Klein）進一步擴展了這一理論。但在此後的半個多世紀里，他們的想法基本被人們遺忘了，直到上世紀80年代才被研究弦論的物理學家重新拾起。最近，科學家利用額外維的思想建立了所謂膜世界（brane worlds）的宇宙學理論。

膜世界理論的基本思想是，我們的三維宇宙是一個子宇宙，它嵌在一個更大的四維（甚至更高維）空間中。這個三維宇宙被稱為膜（brane），它所嵌入的大宇宙被稱為體（bulk）。我們所知的所有物質和能量形式都束縛在這個三維膜之上，如同電影投影到銀幕上——就像柏拉圖寓言中，洞穴中的囚徒認為，牆壁上的投影就是真實世界。但引力例外，它能滲透到更高維的「體」之中。

讓我們來考慮一下「體」——有四個空間維度的超宇宙，它可能在大爆炸之前就已經存在。我們可以想像，這個四維超宇宙中充斥著四維恆星和四維星系。當這些高維恆星耗盡燃料的時候，就像我們的三維恆星一樣，它們就會塌縮成黑洞。

四維黑洞是什麼樣子的？它也會有一個事件視界，一個有去無回的邊界，一旦落入其中連光子都無法逃脫。有所不同的是，普通黑洞的視界是二維的，四維黑洞則會產生一個三維的事件視界。

在模擬了四維恆星的塌縮過程之後，我們發現，在很多情況下，四維恆星塌縮過程中拋射出的物質，的確會在三維事件視界的周圍形成一個緩慢擴張的三維膜。我們的宇宙就是這個三維膜，是一個即將塌縮成黑洞的四維恆星的全息圖。宇宙大爆炸的奇點被三維事件視界永遠遮擋著。

我們的模型有很多優勢，首先它避免了宇宙誕生時的裸奇點。不過，對於那些長久以來困擾人們的宇宙學難題，比如宇宙為什麼會有近乎平直的空間曲率和高度均勻性，我們的模型能否解決呢？因為四維體宇宙可能已經存在了無限長的時間，經過足夠長的時間後，體宇宙中任何的熱點和冷點都達到了平衡。如此以來，四維體宇宙就變得光滑，我們的三維膜宇宙就繼承了它的光滑性。此外，因為四維黑洞幾乎沒有任何細節特徵（「無毛」），因此我們的三維膜宇宙也應該是光滑的。四維恆星的質量越大，三維膜就越平坦。我們宇宙之所以平坦，是因為它是一顆很重的四維恆星的塌縮遺迹。

這樣，我們這種全息論的大爆炸模型，不僅沒有用暴脹就解決了均勻性和平坦性難題，而且還避免了宇宙大爆炸起始的裸奇點。

這個想法聽起來或許很瘋狂，不過有幾種方法可以來檢驗它。一種方法是研究宇宙微波背景輻射。在我們三維膜宇宙之外，可能存在著一些額外的四維體物質——它們是被四維黑洞的引力拉過來的。這些額外物質的熱漲落會在三維膜宇宙上造成漲落，從而給宇宙微波背景輻射帶來微小的但可探測的扭曲。我們的計算結果和歐洲空間局普朗克衛星的最新觀測結果有4%的差異。不過，這個差異可能是由我們尚未正確建模的次級效應造成的。此外，如果四維黑洞有自旋（黑洞有自旋非常常見），那麼我們的三維宇宙就不會在各個方向上看起來都是相同的。在不同方向上，我們宇宙的大尺度結構會稍有不同。天文學家或許可以通過細緻地研究宇宙微波背景輻射來發現這種方向性。

當然，即便我們的全息論大爆炸理論解決了最大的問題（我們宇宙的起源），它也會帶來一系列的新問題，其中最大的一個問題就是：我們宇宙的母宇宙從何而來？

為了回答這個問題，我們也許要再一次從柏拉圖那裡找尋靈感。當柏拉圖寓言中的囚徒走出洞穴時，太陽會灼傷他們的眼睛，他們需要時間來適應洞外明亮的世界。起初，囚徒們只能辨認出影子，不久他們就能夠看到月亮和星星。最終，他們會得出結論，太陽是「我們所看的到一切事物的創始人」——白天、黑夜、四季和影子。柏拉圖故事中的囚徒們無法理解太陽背後的力量，正如我們無法理解四維體宇宙一樣。不過，我們至少已經知道，該去哪裡尋找答案了。

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