趣科學：時間始於黑洞？（乾貨）-頭條網

撰文尼亞耶什·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1078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1027℃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。

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