撰文 阿尼爾·阿納塔斯瓦米（Anil Ananthaswamy）
翻譯 丁家琦
審校 韓晶晶
黑洞裡可能藏著其他的宇宙。科學家最近發現，早期宇宙中一些奇異的時空現象會帶來短壽命的蟲洞，讓我們與數量繁多的多重宇宙相連。
如果該理論得到證實，它或許可以解釋為什麼星系中心的超大質量黑洞在相對較短的時間內就可以長到這麼大。
多重宇宙（multiverse）就是說我們所在的宇宙只是數量巨大的眾多宇宙中的一個。這是目前關於宇宙膨脹的主流理論，即永恆暴脹（eternal inflation）理論引申出的結論。
永恆暴脹理論認為，在宇宙的早期階段，時空以指數方式膨脹，在極短的時間內體積迅速增大，之後膨脹速度才放緩並穩定下來。該理論誕生於20世紀80年代，最初是用於解釋標準大爆炸理論自身無法解釋的一些觀測結果。
但宇宙學家迅速意識到，暴脹的宇宙還提示我們：通常以為只對微觀粒子發揮作用的量子力學效應，在整個時空演化的過程也扮演著重要的角色。
其效應之一，就是較大範圍的宇宙中的一小塊時空可以轉變為另一個量子態，形成一個「泡泡」，這樣的泡可已從正在暴脹的宇宙中隨機生成。
這意味著，哪怕是在我們宇宙的劇烈膨脹已經終止之後，其中一些泡仍然可以繼續暴脹成為新的「嬰兒宇宙」，而這些宇宙內又可以產生新的泡，以此類推，產生不斷蔓延的多重宇宙。
「在暴脹進行的時候，泡泡會冒出來並在暴脹的空間裡擴張。」美國塔夫斯大學的宇宙學家亞歷克斯·維連金（Alex Vilenkin）說，他是膨脹宇宙學的先驅之一。
但要證實這個理論則相當困難。宇宙學家提出，那些泡和我們的宇宙碰撞的時候可能在宇宙微波背景輻射（即大爆炸留下的輻射）上留下了印記，但這樣的信號極其微弱，目前為止宇宙學家還沒有觀察到任何確鑿的證據。
維連金和同事想在我們的宇宙中尋找其他的方法證實多重宇宙存在的信號，因此他們通過數學手段分析了暴脹過程中產生的泡的命運。
他們發現，如果一些泡在形成時其內部的固有能量低於我們宇宙的固有能量，它們的確會開始膨脹：泡外部時空的張力比內部的大，因此泡壁會被向外拉伸。
但當我們宇宙的暴脹停止以後，外部張力就消失了，泡沫就會開始坍縮，就像漏氣的氣球一樣。
內部的世界
以上所描述的是從外部角度觀察到的現象，但維連金說，這幅圖景得出的結論還不僅於此，比如泡泡最終的命運依賴於它們的大小。
越往後生成的泡就越小，將坍縮成普通的黑洞，其內部只有一個密度無限大的「奇點」。
但早期生成的泡會更大，生成的黑洞也更大，在其內部甚至可以包含另一個正在暴脹的宇宙。
在我們所在的宇宙暴脹結束後的一瞬間，泡剛剛開始坍縮時，這時候我們可能可以通過蟲洞與泡內部相連結。不幸的是，這些蟲洞幾乎立刻就會關閉，迅速切斷內部的暴脹宇宙與外部宇宙的聯繫。「我們向這些宇宙發送信號的機會已經消逝了。」論文的共同作者，西班牙巴塞隆納大學的物理學家豪梅·加裡加（Jaume Garriga）說。
但即使是在蟲洞關閉以後，黑洞中的時空依舊在繼續膨脹（見arxiv.org/abs/1512.01819v1）。
另一位膨脹宇宙學的先驅，史丹福大學的宇宙學家安德烈·林德（Andrei Linde）高度評價了他們的工作。這一工作背後的想法在近30年前就出現了，但維連金和同事對泡的命運做出了最詳細的分析。林德說：「這就是美麗的廣義相對論，它有時候會帶來極端違反直覺的結論。」
維連金的分析提出，我們宇宙中黑洞的分布應該有一些獨特的特徵，這能為尋找多重宇宙的跡象提供一條嶄新的途徑。在達到某一個臨界質量之前，質量越大的黑洞數目越多，超過這個質量的黑洞數目則迅速減少。「這一臨界質量把普通黑洞與包含正在暴脹的多重宇宙的黑洞區分開來。」加裡加說。
這或許也能解決一個存在已久的謎題：天體物理學界一直很難解釋為何超大質量黑洞能長得這麼大，按理說它們並沒有足夠的時間來吸收這麼多物質。但按照新理論，那類最大的黑洞裡面藏著一個宇宙，它們在一開始就比其他黑洞大很多。我們銀河系中心的黑洞，很可能就是由這樣的黑洞生長而成。
維連金的工作或許也能解決困擾物理學家幾十年的黑洞信息丟失悖論。
加利福尼亞大學聖巴巴拉分校研究廣義相對論與黑洞的物理學家唐·馬羅爾夫（Don Marolf）指出，物理學家一直想知道黑洞所包含的信息是不是比它們表面顯露出來的要多得多。
他說：「這實際上是一個古老的觀點的極端例子，即黑洞的內部是無窮無盡的。」
而在別的宇宙看來，我們自己的宇宙可能也是一個黑洞。
「這個研究課題深不可測，」林德說，「我們才剛剛開始觸到它的表面，剛開始發現多重宇宙相關的事實真相。」
原文連結：
https://www.newscientist.com/article/mg22930554-300-supermassive-black-holes-might-be-hiding-entire-universes-inside/
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