對(duì)宇宙學(xué)中一些問(wèn)題的個(gè)人猜測(cè)

汪昕

摘 要 最早對(duì)黑洞這個(gè)概念的思考始于18世紀(jì)。有人想到，如果有質(zhì)量足夠大的恒星，它的逃逸速度甚至比光速還要大，那么它就無(wú)法被人觀測(cè)到，成為一顆無(wú)法被觀測(cè)到的完全黑暗的恒星直。直至今日，對(duì)所有人來(lái)說(shuō)，黑洞仍然是一個(gè)充滿神秘色彩的星體。

關(guān)鍵詞 黑洞 暗能量 外層黑洞

中圖分類號(hào)：F832.46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.10.074

Personal Speculations about Some of the Problems in Cosmology

WANG Xin

（Central China Normal University， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract The first thought of the concept of a black hole began in eighteenth Century. Some people think that if there is a large enough star， it is even larger than the speed of light， then it can not be observed， to become a completely dark star can not be observed directly. Until today， for all people， the black hole is still a mysterious color of the stars.

Keywords black hole； dark energy； outer black hole

黑洞的內(nèi)部究竟是什么樣的，根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)恐怕還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?qū)ζ渥龀鰷?zhǔn)確的預(yù)測(cè)，所有的理論既不能被證實(shí)，也不能被證偽，所以對(duì)其內(nèi)部世界的猜測(cè)可以說(shuō)是相對(duì)“安全”的。在這里，我也對(duì)此做出自己的推測(cè)。

1 宇宙是一個(gè)黑洞嗎

物理學(xué)中定義了“黑體”這一理想物體，它可以吸收所有波長(zhǎng)的輻射。當(dāng)然，如果是完全意義上的黑體，那么由于它將入射的電磁波全部吸收，我們將無(wú)法對(duì)其進(jìn)行研究，所以一般所說(shuō)的黑體并不是理想完全的黑體，而是近似的黑體。并且，我們承認(rèn)，不存在理想的黑體，這就意味著我們測(cè)量所得到的輻射譜都會(huì)與理想狀況所預(yù)言的有所偏差。但是，有一種輻射譜卻幾乎與理想狀況完全符合，那就是宇宙微波背景輻射譜。

如果要研究一個(gè)完美的黑體，那么我們當(dāng)然不能在黑體以外進(jìn)行觀測(cè)，可是若在黑體的內(nèi)部進(jìn)行觀察就不成問(wèn)題了，這也許可以推導(dǎo)出“我們所處的宇宙是一個(gè)黑體”這樣的結(jié)論。然而，這個(gè)黑體是什么樣呢？就我現(xiàn)在的所知看來(lái)，黑洞是最有力的候補(bǔ)。

由于無(wú)法直接觀測(cè)黑洞，所以它本身是否存在這個(gè)問(wèn)題在科學(xué)界都被爭(zhēng)議了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。不過(guò)現(xiàn)在，可以通過(guò)間接觀察的方法來(lái)對(duì)黑洞進(jìn)行一些測(cè)量。由于有一些星體的運(yùn)動(dòng)方式看起來(lái)是受到了大質(zhì)量恒星的吸引而又無(wú)法找到這樣的恒星，那么就可以間接的預(yù)言這里存在著一個(gè)黑洞。

2 我們的宇宙

如果假設(shè)宇宙是處于一個(gè)黑洞之中，那么很容易可以聯(lián)想到，這個(gè)黑洞應(yīng)該又在一個(gè)“外層”的宇宙之中，然后這個(gè)“外層的宇宙”仍然是在一個(gè)黑洞之中，黑洞又存在于一個(gè)“更外層”的宇宙里。這個(gè)想法與多重宇宙理論有些類似，但是各個(gè)宇宙之間不是平行而是從屬關(guān)系。

考慮到我們所處的宇宙處處應(yīng)符合同樣的物理規(guī)律，那由此推論這個(gè)“外層黑洞”與我們的宇宙中的黑洞即使有所不同，也應(yīng)該有著類似的行為。與我們的黑洞相類比，可以想象這個(gè)“外層黑洞”在不斷吞噬周圍一切物質(zhì)的樣子。這些被吞噬的物質(zhì)并不會(huì)掉入黑洞的中心，而是在視界面上“靜止”，這樣也就防止了我們的宇宙中會(huì)不斷噴涌出新的物質(zhì)。這些被吸入的物質(zhì)在“外層黑洞”的視界面與引力場(chǎng)邊界之間形成了一個(gè)環(huán)帶。這個(gè)環(huán)帶的質(zhì)量每個(gè)黑洞應(yīng)該有所差異，但絕大多數(shù)，可以想象，其質(zhì)量是十分巨大的。雖然黑洞隔絕一切電磁信號(hào)的作用，但卻無(wú)法屏蔽這質(zhì)量巨大的環(huán)帶所產(chǎn)生的引力作用。這個(gè)環(huán)帶對(duì)“外層黑洞”的內(nèi)部，也就是我們的宇宙應(yīng)該也會(huì)有所影響。

最直接可以聯(lián)想到的就是吸引作用。我們知道，宇宙正在加速膨脹，這也是我們預(yù)言暗能量的最大根據(jù)之一。 由于宇宙之中各種物質(zhì)的相互吸引，人們層一度認(rèn)為宇宙應(yīng)該在膨脹一段時(shí)間后開(kāi)始收縮。但觀測(cè)結(jié)果推翻了這樣的觀點(diǎn)，這也迫使人們提出“應(yīng)該存在無(wú)法觀測(cè)到的能量”這樣的理論來(lái)解釋現(xiàn)象。

以之前的想法為前提，我們可以換一個(gè)思路來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題。如果這個(gè)“外層宇宙”的環(huán)帶部分可以對(duì)內(nèi)部有所影響，那么，受到這部分質(zhì)量所產(chǎn)生的引力勢(shì)能的影響，我們的宇宙中的物質(zhì)便開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng)。這個(gè)環(huán)帶的質(zhì)量由于黑洞的行為可能會(huì)有所變化，引起我們宇宙的膨脹加速度發(fā)生變化。對(duì)我們宇宙中的黑洞環(huán)帶的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量并且與宇宙加速膨脹的加速度變化進(jìn)行對(duì)比也許可以驗(yàn)證這個(gè)推測(cè)。

3 關(guān)于引力波

1916年，愛(ài)因斯坦預(yù)言了引力波的存在。今年年初，引力波的成功探測(cè)讓人們開(kāi)始接觸它。

長(zhǎng)久以來(lái)，引力波的探測(cè)是非常艱難的工作，原因之一在于它實(shí)在太微弱了，以至于很容易被環(huán)境中任何信號(hào)覆蓋掉。引力波的探測(cè)依靠光的干涉原理。通過(guò)兩個(gè)很長(zhǎng)的腔中的激光，在腔受到引力波的影響后腔長(zhǎng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致激光光程差發(fā)生變化，會(huì)讓干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，從而探測(cè)到引力波。今年探測(cè)到的是來(lái)源于雙黑洞融合所產(chǎn)生的引力波。

M理論認(rèn)為，我們的宇宙在一個(gè)高維的膜之上，并且還有額外的維。幾乎所有存于宇宙內(nèi)的東西都被束縛在這個(gè)膜上，而引力是一例外。引力子被描述為閉環(huán)弦，它無(wú)法被束縛在膜上，因此有機(jī)會(huì)移動(dòng)到其他的維中，這也是為什么我們的世界中引力相互作用如此微弱的原因。這些額外的維是什么，為什么我們只能感受到包括時(shí)間在內(nèi)的四維？人們給出的猜測(cè)是，這些額外的維都因?yàn)榫砬兊檬治⑿。〉綆缀鯚o(wú)法被觀察到的地步。這個(gè)解釋要被驗(yàn)證是相當(dāng)困難的。

回到之前講的推測(cè)中的“外層宇宙”。我們的宇宙中所產(chǎn)生的引力相互作用應(yīng)該也可以傳播到這個(gè)“外層宇宙”中，“外層宇宙”中產(chǎn)生的引力作用也應(yīng)該可以被我們接收到，盡管小到我們連忽略了它這件事都意識(shí)不到。既然引力波可以在兩個(gè)宇宙之間傳播，我們有機(jī)會(huì)用它來(lái)解讀一些信息。說(shuō)不定“外層宇宙”中的某種智慧生命體已經(jīng)通過(guò)我們的宇宙發(fā)出的引力波意識(shí)到了他們的宇宙中某個(gè)黑洞內(nèi)有我們的存在，但這些對(duì)現(xiàn)在的我們來(lái)說(shuō)沒(méi)有意義。我們關(guān)心的是，我們是否有可能從這些引力波中找到關(guān)于我們宇宙的一些問(wèn)題的答案。

如果這個(gè)“外層宇宙”存在，它的維不一定與我們所熟悉的三維世界一樣，也許它有更多的維度，這些維度在我們的宇宙之外，而又包含著我們的宇宙，對(duì)我們有種種的影響，同時(shí)又無(wú)法被我們觀察到。這些維度可能可以成為那十維或十一維的線索。

接收到宇宙誕生初期的引力波是引力波探測(cè)領(lǐng)域的最高目標(biāo)之一，這些引力波中包含著宇宙誕生的秘密。距離宇宙誕生已經(jīng)過(guò)去百億年的時(shí)間，這項(xiàng)工作的難度是可想而知的。然而，如果說(shuō)我們的宇宙是在一個(gè)“外層宇宙”的某一個(gè)黑洞之內(nèi)成立的話，可以推測(cè)得知我們宇宙中的黑洞也應(yīng)該有孕育一個(gè)宇宙的能力。通過(guò)對(duì)黑洞的探測(cè)，我們可以挑選出一些具有產(chǎn)生新的世界的能力的黑洞，對(duì)它們產(chǎn)生的引力波進(jìn)行精細(xì)的探測(cè)，與我們猜測(cè)的宇宙起源做對(duì)比，說(shuō)不定可以從中獲取答案。

4 宇宙的邊界

如果說(shuō)宇宙在一個(gè)黑洞之中，那么可以肯定的是，宇宙是有邊界的，畢竟就連這個(gè)“外層黑洞”也是有邊界的。宇宙的邊界就如同一個(gè)氣球，宇宙中的一切物質(zhì)都散落在這個(gè)氣球的球面上，氣球膨脹的大小就是我們宇宙邊界的尺寸。物質(zhì)不可以從這個(gè)球面上脫離出去。但是，由于宇宙在膨脹，那就意味著宇宙的邊界在不斷擴(kuò)大，然而這個(gè)“外層黑洞”不可以無(wú)限的擴(kuò)大，實(shí)際上，它的尺寸不應(yīng)該怎么變化，這就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：宇宙的邊界要怎么樣增大？

由于我們只有構(gòu)建三維空間模型的能力，所以想要討論高維的東西只能靠高維在三維上的投影來(lái)計(jì)算。若是想描繪出超過(guò)三維的世界是什么樣子，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)超出了我們的能力。要討論更高的維度，只能用二位來(lái)做一個(gè)類比。設(shè)想在一個(gè)最普通的三維直角坐標(biāo)系中，我們的宇宙被規(guī)定限制在X-Y平面的一層薄膜上，這就好像我們看電影熒幕中的我們自己。而這個(gè)“外層黑洞”并不是被束縛在這個(gè)二維膜上的，它包含了這個(gè)世界的維度，它包含了這個(gè)坐標(biāo)系中的Z軸，也就是說(shuō)，無(wú)論這個(gè)二維的世界如何擴(kuò)張，都不會(huì)改變更高維度的尺寸，這樣，也許可以解決這個(gè)問(wèn)題。

上面的模型又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的問(wèn)題，如果這個(gè)二維膜在第三維中所處的位置發(fā)生任何細(xì)微的變化，那么它都將不再屬于原來(lái)的那個(gè)膜的世界。換句話說(shuō)，這樣的模型會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)平行的二維膜世界。回到我們所熟知的宇宙，這個(gè)假設(shè)會(huì)給我們帶來(lái)同樣身處一個(gè)“外層黑洞”中的其它的無(wú)數(shù)個(gè)世界。如果“外層宇宙”中某種智慧生物有能力觀察它們黑洞中的世界的話，說(shuō)不定他們可以想調(diào)電視機(jī)的頻道一樣觀察各個(gè)宇宙的樣子。這個(gè)假設(shè)很有意思，但它看起來(lái)對(duì)現(xiàn)在的我們并沒(méi)有什么幫助，所以它無(wú)論成立與否，都可以先放下來(lái)暫且不談。

我希望討論的問(wèn)題是對(duì)我們有意義的問(wèn)題，即使是完完全全的錯(cuò)誤，也可以在未來(lái)的討論中明確的告訴其他人“這樣是行不通的”，而不是那些無(wú)論正確與否都無(wú)關(guān)緊要的問(wèn)題。所以，這個(gè)模型給我的有一些意義的問(wèn)題是，我們?nèi)羰窃谟钪嬷谐粋€(gè)方向永遠(yuǎn)前進(jìn)下去，我們真的有可能會(huì)回到原點(diǎn)嗎？

如果宇宙是三維空間上的一張球形膜，那么在地球這個(gè)球面上生活的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，如果我們一直朝著一個(gè)方向走，終究會(huì)回到出發(fā)的地方，所以，宇宙中的行動(dòng)軌跡也應(yīng)如此。那么，我們所接收到的某一個(gè)較近星球的信號(hào)，與一個(gè)較遠(yuǎn)星球的信號(hào)會(huì)不會(huì)是同一個(gè)星球朝兩個(gè)方向所發(fā)射出來(lái)的呢？其中一個(gè)直接到達(dá)了地球，而另一個(gè)則是繞著宇宙轉(zhuǎn)了一大圈，然后最終也來(lái)到了地球，由于長(zhǎng)途跋涉我們誤以為這是另一個(gè)星球所發(fā)射的信號(hào)。如果事實(shí)如此，那么必將引起天文界的極大浪潮。當(dāng)然，這樣的情況并不會(huì)發(fā)生。現(xiàn)在的宇宙學(xué)研究表明，宇宙在極早期的時(shí)候曾經(jīng)歷過(guò)被稱之為“暴漲”的過(guò)程，暴漲理論認(rèn)為，宇宙在極短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了一個(gè)極大倍率的膨脹過(guò)程。這個(gè)過(guò)程太過(guò)迅速，讓一些物體的光甚至無(wú)法到達(dá)我們這里。這個(gè)理論解決了宇宙的平攤性問(wèn)題，同時(shí)也告訴我們即使在自己的宇宙中也有看不見(jiàn)的區(qū)域，即在我們的宇宙中也存在一個(gè)視界。我們的宇宙存在的時(shí)間還太短，即使是最短的路徑，仍然有大部分信號(hào)傳達(dá)不到我們的地球，更不用談繞過(guò)整個(gè)宇宙回到地球這件事了。不過(guò)，過(guò)了足夠長(zhǎng)的時(shí)間，我們應(yīng)該能夠接收到那些“從另一側(cè)繞回來(lái)”的信號(hào)，宇宙中的視界最終會(huì)從各個(gè)方向連到一起。

參考文獻(xiàn)

[1] 史蒂芬·霍金著.果殼中的宇宙.吳忠超，譯.湖南科學(xué)技術(shù)出版社.

[2] Brian Greene.The Elegant Universe.