我們生活的宇宙在黑洞里！物理學家提出新的宇宙奧秘的解決方案

我們的宇宙可能存在於一個黑洞內部。這提起來似乎有些奇怪，但是它可能是宇宙如何開始，以及我們現在所觀察到的現象的最好解釋。包括我在內的一個小組在過期幾十年內對這個理論進行了探索。

標準的大爆炸理論即暗示宇宙由一個看起來不太可能的具有無窮大的物質密度、尺寸無窮小的「奇點」開始，膨脹成我們現在觀察到的樣子。雖然理論很成功，但依然有一些值得一提的尚未解釋的問題，如暴漲理論——近幾十年提出來的超快空間擴張的假設，填補了許多細節，比如聚集的物質中的小塊會匯聚成更大的天體，如星系和星系團。

但是這些理論有一些大問題沒有解決。例如，什麼引起了大爆炸？什麼造成了暴漲的結束？造成宇宙表觀地加速膨脹的神秘的暗能量的來源是什麼？

我們的宇宙整個地包含在一個黑洞裡面這一觀點，解釋了上述問題以及許多其它問題。這一觀點消除了我們的宇宙中物理學上不可能的奇點的概念，它來源於物理裡面的兩大中心理論。

第一個是廣義相對論，現代的引力理論。它描述大尺度的宇宙。宇宙中發生的任何事件被看成時間和空間（或者稱為時空）中的一個點。大質量物體扭曲時空。就像放在畫布上的保齡球。太陽的引力凹痕改變了繞著它的地球和其它行星的運動。太陽對行星的吸引在我們看起來就是萬有引力。第二個是量子力學，它描述小尺度的宇宙，比如原子尺度。但是，相對論和量子力學目前是分開的理論；物理學家一直在努力將它們成功結合成單個的量子引力理論來足夠描述重要的現象，比如亞原子粒子在黑洞中的行為。

1960年一個廣義相對論的修改版，成為Einstein-Cartan-Sciama-Kibble引力理論，將量子力學的效應考慮在內。它不僅向量子引力接近了一步，而且提供了宇宙的另一幅圖景。這個廣義相對論的變種將重要的量子性質——自旋考慮在內。粒子諸如原子和電子擁有自旋，或者叫內稟角動量，類比於冰面上旋轉的溜冰者。

在這幅圖景里，粒子的自旋與時空相互作用，賦予後者被稱為「撓率（torsion）」的性質。為了理解扭曲，想像時空不是一張二維的畫布，而是一個同樣有彈性的一維的棍子。棍子的彎曲相當於時空的扭曲。如果棍子很細，你可以彎曲它，但很難看出它是否被彎曲。

時空扭曲只會在早期宇宙和黑洞中顯著。在那些極端環境，時空撓率會表現成抵消時空曲率引起的引力的斥力。就像標準的廣義相對論，大質量恆星最後會塌縮成黑洞：空間中光也無法逃出的區域。

下面是撓率如何上演出宇宙早期的場景。一開始，引力的吸引會克服撓率的斥力，使物質塌縮更小的時空區域。但後來撓率會變得很強，阻止物質被壓縮成無窮密度的點；物質會達到極大但有限的密度。由於能量可以被轉化成物質，非常高的引力能量在這種極緻密的狀態會導致劇烈的粒子產生，極大地增長了黑洞內部的質量。

帶有自旋的粒子數量的增加會導致更大的時空撓率。排斥的撓率會停止塌縮，並且產生一個大反彈，就像向外彈出的沙灘球。這樣大的反彈之後的迅速迴繞就是我們現在的宇宙膨脹。這個迴繞的結果和我們觀察到的宇宙的形狀，幾何，質量分布符合。

反過來，撓率的機制暗示一個驚人的場景：每個黑洞內會產生一個新的嬰兒宇宙。如果是這樣的，我們的宇宙最初的物質來自其它地方。所以我們的宇宙可能存在於其它宇宙的內部。就像我們無法看到黑洞內的宇宙發生的事情，其它母宇宙的觀測者無法看到我們宇宙發生的事情。

物質通過被稱為「事件視界」的黑洞邊界的運動，只可能以一個方向發生，這提供了我們感知的向前的時間方向。所以我們的宇宙的時間之箭通過母宇宙的撓率被繼承下來。

[圖注]Nikodem Poplawski展示「管子里的龍捲風」。

上面的瓶子代表黑洞，連接的瓶頸代表蟲洞以及下面的瓶子代表剛剛形成的蟲洞的另一邊所正在長大的黑洞。

撓率也可以解釋觀察到的宇宙中物質和反物質的不平衡。由於撓率，物質會衰變成我們熟悉的電子和夸克，反物質會衰變成「暗物質」：不可見的物質形式，暗物質似乎可以解釋宇宙中的大部分物質。

最後，撓率可能是「暗能量」，一種穿透所有空間以及加速宇宙膨脹的神秘能量形式。帶有撓率的幾何自然地產生一個「宇宙常數」，一種類似加上去的向外的力，最簡單的解釋暗能量的方式。所以，觀察到的宇宙的加速膨脹成了撓率存在的最強證據。

所以撓率為一個所有黑洞內部變成一個新的宇宙的場景提供了理論基礎。它似乎也可以修補目前宇宙學和引力理論的幾個大問題。物理學家仍然需要完全將量子力學和Einstein-Cartan-Sciama-Kibble引力理論結合成一個量子引力理論。解決主要問題的同時，它帶來了一些自己的問題。我們有多少層的母宇宙？我們如何驗證我們的宇宙存在於一個黑洞里？

最後一個問題有可能會被研究：既然所有恆星和黑洞會旋轉，我們的宇宙會繼承母黑洞的旋轉軸為一個「偏好方向」。最近有報道稱來自超過15,000個星系的巡星的證據顯示在宇宙的一個半球更多螺旋星系是順時針旋轉的，而另一個半球則是逆時針的。不管什麼情況，我相信在時空幾何中加入撓率是朝一個成功的宇宙學理論的正確的一步。