汪昕

摘 要 最早對黑洞這個概念的思考始于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(xiàn)標(biāo)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?qū)ζ渥龀鰷?zhǔn)確的預(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(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，我們將無法對其進(jìn)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(rèn)，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(dāng)然不能在黑體以外進(jìn)行觀測，可是若在黑體的內(nèi)部進(jìn)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(bǔ)。

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(dāng)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(jìn)行一些測量。由于有一些星體的運(yùn)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(rèn)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(yùn)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(jìn)行測量并且與宇宙加速膨脹的加速度變化進(jìn)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(rèn)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(jī)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(dāng)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(jī)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(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(jìn)行精細(xì)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(kuò)大，然而這個“外層黑洞”不可以無限的擴(kuò)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(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“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(biāo)系中的Z軸，也就是說，無論這個二維的世界如何擴(kuò)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(xì)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(jī)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(yuǎn)前進(jìn)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(yuǎn)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(dá)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(dāng)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(rèn)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(dá)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(dá)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(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.