對宇宙學(xué)中一些問題的個人猜測

汪昕

摘 要 最早對黑洞這個概念的思考始于18世紀。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，那么它就無法被人觀測到，成為一顆無法被觀測到的完全黑暗的恒星直。直至今日，對所有人來說，黑洞仍然是一個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：F832.46 文獻標識碼：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)有的知識恐怕還遠遠不夠?qū)ζ渥龀鰷蚀_的預(yù)測，所有的理論既不能被證實，也不能被證偽，所以對其內(nèi)部世界的猜測可以說是相對“安全”的。在這里，我也對此做出自己的推測。

1 宇宙是一個黑洞嗎

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的輻射。當然，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，我們將無法對其進行研究，所以一般所說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，不存在理想的黑體，這就意味著我們測量所得到的輻射譜都會與理想狀況所預(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。

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

由于無法直接觀測黑洞，所以它本身是否存在這個問題在科學(xué)界都被爭議了相當長的一段時間。不過現(xiàn)在，可以通過間接觀察的方法來對黑洞進行一些測量。由于有一些星體的運動方式看起來是受到了大質(zhì)量恒星的吸引而又無法找到這樣的恒星，那么就可以間接的預(yù)言這里存在著一個黑洞。

2 我們的宇宙

如果假設(shè)宇宙是處于一個黑洞之中，那么很容易可以聯(lián)想到，這個黑洞應(yīng)該又在一個“外層”的宇宙之中，然后這個“外層的宇宙”仍然是在一個黑洞之中，黑洞又存在于一個“更外層”的宇宙里。這個想法與多重宇宙理論有些類似，但是各個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“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“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”的視界面與引力場邊界之間形成了一個環(huán)帶。這個環(huán)帶的質(zhì)量每個黑洞應(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的作用，但卻無法屏蔽這質(zhì)量巨大的環(huán)帶所產(chǎn)生的引力作用。這個環(huán)帶對“外層黑洞”的內(nèi)部，也就是我們的宇宙應(yīng)該也會有所影響。

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，人們層一度認為宇宙應(yīng)該在膨脹一段時間后開始收縮。但觀測結(jié)果推翻了這樣的觀點，這也迫使人們提出“應(yīng)該存在無法觀測到的能量”這樣的理論來解釋現(xiàn)象。

以之前的想法為前提，我們可以換一個思路來解釋這個問題。如果這個“外層宇宙”的環(huán)帶部分可以對內(nèi)部有所影響，那么，受到這部分質(zhì)量所產(chǎn)生的引力勢能的影響，我們的宇宙中的物質(zhì)便開始加速運動。這個環(huán)帶的質(zhì)量由于黑洞的行為可能會有所變化，引起我們宇宙的膨脹加速度發(fā)生變化。對我們宇宙中的黑洞環(huán)帶的性質(zhì)進行測量并且與宇宙加速膨脹的加速度變化進行對比也許可以驗證這個推測。

3 關(guān)于引力波

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

長久以來，引力波的探測是非常艱難的工作，原因之一在于它實在太微弱了，以至于很容易被環(huán)境中任何信號覆蓋掉。引力波的探測依靠光的干涉原理。通過兩個很長的腔中的激光，在腔受到引力波的影響后腔長度發(fā)生變化，導(dǎo)致激光光程差發(fā)生變化，會讓干涉條紋發(fā)生移動，從而探測到引力波。今年探測到的是來源于雙黑洞融合所產(chǎn)生的引力波。

M理論認為，我們的宇宙在一個高維的膜之上，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膜上，而引力是一例外。引力子被描述為閉環(huán)弦，它無法被束縛在膜上，因此有機會移動到其他的維中，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間在內(nèi)的四維？人們給出的猜測是，這些額外的維都因為卷曲而變得十分微小，小到幾乎無法被觀察到的地步。這個解釋要被驗證是相當困難的。

回到之前講的推測中的“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“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不到。既然引力波可以在兩個宇宙之間傳播，我們有機會用它來解讀一些信息。說不定“外層宇宙”中的某種智慧生命體已經(jīng)通過我們的宇宙發(fā)出的引力波意識到了他們的宇宙中某個黑洞內(nèi)有我們的存在，但這些對現(xiàn)在的我們來說沒有意義。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題的答案。

如果這個“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，對我們有種種的影響，同時又無法被我們觀察到。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領(lǐng)域的最高目標之一，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)過去百億年的時間，這項工作的難度是可想而知的。然而，如果說我們的宇宙是在一個“外層宇宙”的某一個黑洞之內(nèi)成立的話，可以推測得知我們宇宙中的黑洞也應(yīng)該有孕育一個宇宙的能力。通過對黑洞的探測，我們可以挑選出一些具有產(chǎn)生新的世界的能力的黑洞，對它們產(chǎn)生的引力波進行精細的探測，與我們猜測的宇宙起源做對比，說不定可以從中獲取答案。

4 宇宙的邊界

如果說宇宙在一個黑洞之中，那么可以肯定的是，宇宙是有邊界的，畢竟就連這個“外層黑洞”也是有邊界的。宇宙的邊界就如同一個氣球，宇宙中的一切物質(zhì)都散落在這個氣球的球面上，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大，然而這個“外層黑洞”不可以無限的擴大，實際上，它的尺寸不應(yīng)該怎么變化，這就產(chǎn)生了一個問題：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計算。若是想描繪出超過三維的世界是什么樣子，這個問題已經(jīng)超出了我們的能力。要討論更高的維度，只能用二位來做一個類比。設(shè)想在一個最普通的三維直角坐標系中，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“外層黑洞”并不是被束縛在這個二維膜上的，它包含了這個世界的維度，它包含了這個坐標系中的Z軸，也就是說，無論這個二維的世界如何擴張，都不會改變更高維度的尺寸，這樣，也許可以解決這個問題。

上面的模型又會產(chǎn)生一個新的問題，如果這個二維膜在第三維中所處的位置發(fā)生任何細微的變化，那么它都將不再屬于原來的那個膜的世界。換句話說，這樣的模型會產(chǎn)生無數(shù)個平行的二維膜世界?；氐轿覀兯熘挠钪?，這個假設(shè)會給我們帶來同樣身處一個“外層黑洞”中的其它的無數(shù)個世界。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，說不定他們可以想調(diào)電視機的頻道一樣觀察各個宇宙的樣子。這個假設(shè)很有意思，但它看起來對現(xiàn)在的我們并沒有什么幫助，所以它無論成立與否，都可以先放下來暫且不談。

我希望討論的問題是對我們有意義的問題，即使是完完全全的錯誤，也可以在未來的討論中明確的告訴其他人“這樣是行不通的”，而不是那些無論正確與否都無關(guān)緊要的問題。所以，這個模型給我的有一些意義的問題是，我們?nèi)羰窃谟钪嬷谐粋€方向永遠前進下去，我們真的有可能會回到原點嗎？

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

參考文獻

[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.