黑洞宇宙模型是一个大胆的理论假设,它提出我们所居住的宇宙可能本身就是一个黑洞的内部。这个理论的出发点是基于对黑洞和宇宙某些相似性质的观察。例如,宇宙有一个事件视界,即我们无法观测到的边界,这与黑洞的事件视界类似,后者是黑洞内部与外部的边界,任何物质或信息都不能从事件视界内部逃脱到外部。
在这个模型中,宇宙的历史可以被看作是一个黑洞的内部历史。如果宇宙是闭合的,它可能有一个外部世界,而我们的宇宙可能是其中的一个隐藏在黑洞内的区域。这种假设引出了一些引人入胜的问题,比如宇宙是如何成为一个黑洞的,以及我们的宇宙是否是外部宇宙中的一个原初黑洞,或者是通过某种坍缩过程形成的。
如果我们计算宇宙的史瓦西半径,结果大约是156亿光年,与已观测到的最远天体距离——GN-z11的134亿光年误差不到1.2倍,在宇宙尺度上已经是非常一致的数据了。这等于在说,宇宙实际上已经完美符合黑洞的定义,我们所在的宇宙就是一个黑洞的内部。
当然问题并没有到此结束。我们的宇宙中还存在一些更小的黑洞,这些黑洞的内部是否和我们的宇宙黑洞有类似的性质?黑洞内外和宇宙内外是否可能有物质交换?黑洞的形成和宇宙的形成是否一致?物理定律在黑洞内外、黑洞边界和黑洞诞生时是如何作用的?
黑洞压缩=宇宙爆炸
既然宇宙是黑洞,那么宇宙的形成应该和黑洞的形成是一样的。但是目前主流理论认为,黑洞是物质被压缩到史瓦西半径以内形成的,而宇宙却是大爆炸形成的,甚至还在不断膨胀。这两者似乎是截然相反的过程,怎么会一样呢?
但只要转换一下思路就可以发现,爆炸和压缩是一对对立统一的过程。我们认为黑洞是压缩形成,仅仅是因为我们作为观察者是未压缩的。我们认为宇宙是爆炸形成,仅仅是因为我们作为观察者是未爆炸的。爆炸和压缩,其实是相对的。
如果我们跟随宇宙一起爆炸,我们就会看到宇宙实际上是压缩形成的;如果我们跟随黑洞一起压缩,我们就会看到黑洞是爆炸形成的!
另一个要点是,我们想象黑洞的形成,往往是想象一个既定的史瓦西半径中被压入了足量的物质,从而形成黑洞。但实际上,黑洞形成时,存在一个史瓦西半径从无限小处逐渐扩大的过程。当史瓦西半径尚未吞噬所有的物质时,这个实时的史瓦西半径的内部已经是一个黑洞了。由于没有任何已知力量可以抗衡黑洞引力,所以内部会被无限压缩。但注意,这个无限压缩指的是压缩的过程是无限进行的,不是指它会在一瞬间被压缩到奇点!
我们作为外部观察者,往往会想象奇点具有无穷大的密度和无穷小的体积——但这里犯了一个错误,我们把奇点想象成了一个压缩完毕的静态质点,它一片死寂没有任何变化。但现实正好相反,如果我们是黑洞内部的观察者,我们将跟随黑洞一起压缩,我们实际上会目睹一次宇宙大爆炸!并且由于这种压缩永远不会停止,我们作为不断压缩的观察者,甚至还会发现宇宙还在不断膨胀——这并不是猜想,宇宙膨胀早已被无数实验验证,几乎是科学界公认的结论。
广义相对论完全支持这个推论。因为广义相对论提出,空间会被强引力场压缩。空间的压缩,意味着所有物理结构的尺度相对于观察者都会被压缩,包括原子的半径,夸克的半径和距离。同时,时间也会以一样的比例被压缩,因此相对于压缩的观察者来说物理定律也是不变的。最终黑洞中的物质会完美地被压缩成一个物理结构和各种定律完全相同,而仅仅是尺度更小、物质更少的新宇宙,并且无限压缩的性质决定了它会有和我们的宇宙一样的不断膨胀的性质——只不过这种膨胀是相对于被无限压缩的观察者来说的。
物质结构的破坏与重塑
这乍听之下可能有些荒谬,因为我们在宇宙中似乎未曾观测到不破坏物理结构的压缩——我们知道,引力场足够强时,原子甚至都会被压碎,形成中子星。但如果同样我们转换视角,从一个被压缩的观察者来看,我们会发现,并不是引力将原子压碎成了中子星,而是中子简并压反过来放大了中子,最终把原子给撑爆了!这两个过程是对立统一的同一个过程,仅仅是在不同观察着视角下会有不同的观感罢了。
而当引力大到足以形成黑洞时,中子简并压也不能抵抗引力,中子被压碎——还能碎成夸克或是什么其它更小的基本粒子团吗?或许可以,但那已经不重要,我们知道,一定会存在一个临界点,没有任何物理结构能够抵抗引力场,于是无限压缩开始了。这种压缩是永续进行不会停止的,它不会形成一个静止的奇点,而是一团永不停歇地压缩下去的物质。如果观察者随之一起压缩,他就会见证一场宇宙大爆炸。
在这个过程中,之前被引力破坏的所有结构都会被重塑——但是以更小的尺度。比如我们之前说原子被压碎成了中子,这是因为引力克服了电子简并压。但是电子简并压并未因此消失,而是随着空间压缩被一起压缩了,然后又遇到了中子简并压的顽强抵抗从而无法进一步压缩。同样地,中子简并压被克服后也未消失,而是像弹簧一样存储在基本粒子之间的势能中。一旦所有抵抗都被克服,进入无限压缩阶段,弹簧就会被释放,物质结构重新形成,最终变成一个全新的小宇宙。
从黑洞或宇宙中逃逸
根据宇宙膨胀论的计算,宇宙的边界,也就是大约100多亿光年以外的物质,会以近光速远离我们(这实际上等价于我们在以近光速被压缩)。这个压缩是时间和空间的同步压缩,这意味着我们发出的光到达宇宙边界时会发生剧烈的红移直至其能量低于量子涨落水平而实际上等于是消失了。连光都不能到达的边界,岂不是也没有任何其它物质能够到达?
这个性质也恰好与黑洞吻合,因为我们通常也认为黑洞中的物质无法逃离黑洞。黑洞或宇宙的无法逃离,原因也是对立统一的,黑洞是因为光速被无限压缩而无法逃逸,宇宙则是因为无限膨胀,两者本质相同只是不同观察者的不同视角。
但是,所谓的黑洞无法逃逸,其严格的说法是“史瓦西半径内有限频率的光不能到达无穷远的观察者”。其直接表现是,引力红移效应会让光子能量在有限的距离中低于量子涨落而实际上无法观测。但实际上我们知道,并不存在一个所谓“无穷远”的观察者,我们到一个特定黑洞的距离总是有限的。这意味着,我们实际上可以观测到来自史瓦西半径内部一个有限外圈范围的光。距离黑洞越近,可以看到的内部范围就越大。另一方面,只要光的频率充分大,就可以有效抵抗红移效应的削弱,到达任意远(不是无限远)处的观察者。
从这里可以看出,严格意义上的“无法逃逸”跟我们想象中的无法逃逸是不同的——它仅仅是不能无限逃逸,而不是不能短时间逃出视界范围——虽然这种有限范围的逃逸对范围外的观测者是不可见的。
光子是一种玻色子,玻色子是能量质量比最高的物质形式(c²:1),任何具有静质量的费米子物质都不能释放出比同质量光子更多的能量。因此,采用任何燃料(包括聚变能)的飞船都不可能比玻色子能效更高。连光子都很难逃逸黑洞,费米子组成的飞船和人类就更难了:理论上,你将需要非常科幻的超高能玻色子发动机(比如反物质甚至黑洞发动机)才能提供超量的能量让费米子逃出黑洞。虽然你的速度仍不可能超越光速,但黑洞的无限压缩也同样不超越光速(但会无限逼近光速)。只要你有巨大的能量推动,让你能够比你的黑洞压缩更快逼近光速,理论上你仍有逃出黑洞的机会。而且由于逼近光速时你的时间是几乎停止的,你也不用担心自己寿命不足的问题。只要足够逼近光速,你可以在合理的时间内逃出黑洞。
越古老的黑洞宇宙,无限压缩的时间越久,越逼近光速,想要逃出黑洞就需要越大的能量。所以一种绝望的可能性是,我们上百亿年的古老宇宙可能已经无法提供能让任何一个费米子逃出去的能量了。恒星聚变的能量显然是远远不够的。至于反物质——很遗憾,由于电荷守恒定律,目前还没有发现能无代价将正物质转换成反物质的方法。目前的技术现实是,虽然正反物质湮灭可以释放出巨大的能量,但制造反物质这件事本身消耗的能量还要更多,目前根本看不到能把反物质当能源用的可能性。所以人类终究有没有能逃出宇宙的一天?目前的技术水平还是无法想象的。
文明的未来:进入而不是逃出黑洞
逃出宇宙几乎是不可能的。但是,进入黑洞却很容易。为什么我们不转换一下思路,不要逃出宇宙,而是进入黑洞呢?
我们需要逃出宇宙的一个原因就是熵增问题。热学第二定律使得各种形式能量最终都会耗散成无序的内能辐射,变成了垃圾能量而不再可用。我们至今没有发现能够重新把这些能量收集回来重新变得有序的方法。但实际上,这个方法就是黑洞!
黑洞形成时会将范围内无序的物质和能量压回致密但有序的基本粒子形式,然后向内无限压缩(内爆),实际上等同于是一个重新创世的轮回,这个过程会打破热学第二定律,实现熵的重置,无序的能量将可以被重新有序化,变得可以被文明所利用。
当然,我们不能进入新形成的黑洞,因为刚经历过大爆炸的新宇宙过于暴烈,星际环境充满了毁灭性的碰撞,无法安稳生活。我们也不能进入太小的黑洞,小黑洞边界上的潮汐力太强会把飞船撕碎。我们可以寻找一个尽可能大、年龄合适的黑洞作为文明接续的目的地。大黑洞边界上潮汐力可以很低,通过时几乎感受不到任何异常。黑洞内的新宇宙不过是重新收集整理了原宇宙中现成的资源,将熵降低而变得能够重新为文明所利用罢了。
黑洞内的空间表面上看似乎是有限的,但在无限压缩的作用下,其实等同于是无限的,可以黑洞套黑洞无限套娃,文明在无限压缩中永存。