新理论表明，大爆炸或许并非万物的开端

大爆炸常被描述为宇宙的爆炸性诞生，是空间、时间和物质同时突然出现的一个独特时刻。

但倘若这根本不是开端呢？要是我们的宇宙源自其他事物，某种既熟悉又激进的事物呢？

在发表于《物理评论D》的一篇新论文中，我和同事提出了一个引人注目的替代观点。我们的计算表明，大爆炸并非万物的起点，而是引力坍缩形成超大质量黑洞的结果，随后在黑洞内部发生反弹。

我们称之为黑洞宇宙的这一想法，提供了一种截然不同的宇宙起源观点，然而它完全基于已知的物理学和观测。

如今基于大爆炸和宇宙暴胀（即早期宇宙规模迅速膨胀的观点）的标准宇宙学模型，在解释宇宙的结构和演化方面非常成功。但这是有代价的，它留下了一些最基本的问题没有解答。

其一，大爆炸模型始于一个奇点，即密度无穷大、物理定律失效的点。这不仅仅是个技术故障，而是一个深层次的理论问题，表明我们其实根本不理解宇宙的开端。

为解释宇宙的大规模结构，物理学家在早期宇宙中引入了一个由未知场驱动、具有奇怪特性的短暂快速膨胀阶段，即宇宙暴胀。后来，为解释如今观测到的加速膨胀，他们又添加了另一个 “神秘” 成分：暗能量。

简而言之，标准宇宙学模型运行良好，但只是通过引入我们从未直接观测到的新成分。与此同时，最基本的问题依然悬而未决：万物从何而来？为何以这种方式开始？为何宇宙如此平坦、均匀且庞大？

新模型
我们的新模型从不同角度解决这些问题，向内而非向外探索。我们不是从膨胀的宇宙出发，试图追溯它如何开始，而是考虑当物质过度密集的集合在引力作用下坍缩时会发生什么。

这是一个熟悉的过程：恒星坍缩成黑洞，黑洞是物理学中理解最为透彻的物体之一。但在黑洞内部，在任何事物都无法逃脱的事件视界之外会发生什么，仍然是个谜。

1965 年，英国物理学家罗杰·彭罗斯证明，在非常普遍的条件下，引力坍缩必然导致奇点。这一结果由已故英国物理学家斯蒂芬·霍金等人进一步拓展，支撑了奇点（如大爆炸时的奇点）不可避免的观点。

这一观点帮助彭罗斯获得了 2020 年诺贝尔物理学奖的一部分，并启发了霍金的全球畅销书《时间简史：从大爆炸到黑洞》。

但有个注意事项。这些 “奇点定理” 依赖描述普通宏观物体的 “经典物理学”。如果我们像在极端密度下必须做的那样，纳入统治原子和粒子微观世界的量子力学效应，情况可能会改变。

在我们的新论文中，我们表明引力坍缩不一定以奇点结束。我们找到了一个精确的解析解，这是一个无近似的数学结果。我们的数学表明，当我们接近潜在奇点时，宇宙的大小随宇宙时间以（双曲）函数变化。

这个简单的数学解描述了一团坍缩的物质云如何达到高密度状态，然后反弹，向外回弹进入新的膨胀阶段。

但为何彭罗斯的定理禁止这样的结果呢？这都归结于一个称为量子不相容原理的规则，该规则指出，两个相同的被称为费米子的粒子不能占据相同的量子态（如角动量或 “自旋”）。

我们表明，这个规则阻止坍缩物质中的粒子被无限挤压。结果，坍缩停止并逆转。反弹不仅是可能的，在适当条件下是不可避免的。

至关重要的是，这种反弹完全发生在广义相对论的框架内，广义相对论适用于恒星和星系等大尺度，结合量子力学的基本原理，无需奇异场、额外维度或推测性物理学。

反弹另一侧出现的宇宙与我们的宇宙惊人地相似。更令人惊讶的是，反弹自然产生两个独立的加速膨胀阶段：暴胀和暗能量，它们不是由假设的场驱动，而是由反弹本身的物理学驱动。

可测试的预测
该模型的优势之一是它能做出可测试的预测。它预测存在少量但非零的正空间曲率，这意味着宇宙并非完全平坦，而是略微弯曲，就像地球表面。

这只是引发坍缩的初始小的过度密度的遗迹。如果未来的观测，如正在进行的欧几里得任务，证实存在小的正曲率，这将强烈暗示我们的宇宙确实源自这样的反弹。它还对当前宇宙的膨胀速率做出预测，这一点已得到验证。

这个模型不仅仅解决了标准宇宙学的技术问题。它还可能为我们对早期宇宙的理解中的其他深刻谜团带来新的启示，比如超大质量黑洞的起源、暗物质的本质，或者星系的层级形成和演化。

这些问题将由未来的太空任务探索，如阿拉基斯任务，它将研究难以从地球用传统望远镜探测到的弥散特征，如恒星晕（围绕星系的恒星和球状星团的球形结构）和卫星星系（围绕较大星系运行的较小星系），这将帮助我们理解暗物质和星系演化。

这些现象也可能与在坍缩阶段形成并在反弹中幸存下来的遗迹致密天体，如黑洞有关。

黑洞宇宙也为我们在宇宙中的位置提供了新视角。在此框架下，我们整个可观测宇宙位于某个更大 “母” 宇宙中形成的黑洞内部。

我们并不特殊，就如同在导致伽利略（16、17 世纪提出地球围绕太阳转的天文学家）被软禁的地心说世界观中地球并不特殊一样。

我们并非见证从无到有的万物诞生，而是见证宇宙循环的延续，这一循环由引力、量子力学以及它们之间的深层相互联系塑造。