黑洞裡有無限個分形宇宙?

2021-01-15 浩瀚宇宙

在這個宇宙中,沒有什麼天體比黑洞更加詭異了。這種無所不吞的神秘天體,擁有著一個事件視界,可以讓內部所有的光都無法逃脫,成為了人類不可探測的鬼蜮。


進入黑洞到底會怎麼樣,沒有人知道。有人說黑洞連通著蟲洞,可以讓一個人穿越時空。更有甚者,認為黑洞裡還有另外的宇宙。


別看網上關於黑洞的文章到處都是,其實人類對於黑洞的了解還非常有限。甚至包括黑洞的種類,目前也沒有完全搞清楚。從理論上來說,有些黑洞帶電荷,有些黑洞不帶電荷;有些黑洞非常巨大,有些黑洞小到微觀尺寸;有些黑洞在高速自轉,有些黑洞看起來靜止不動;有些黑洞周圍一片虛無,有些黑洞包裹在塵埃之中。


其中有一些黑洞我們已經發現了,比如帶有巨大吸積盤的黑洞,我們甚至還給它的吸積盤拍攝了照片。但是還有很多黑洞,至今仍然只存在於理論之中,沒有得到觀測的證實。許多理論物理學家對黑洞憑藉著繁雜的數學公式和極端的物理法則,推測出了黑洞裡可能發生的許多詭異事情。


這裡面一種黑洞非常有趣,它們是帶電的,處於反德西特空間中。這種空間說起來非常複雜,它是愛因斯坦場方程在宇宙常數為負時的最大對稱真空解,對應負的宇宙學常數,幾何曲率也為負,形狀類似於馬鞍。這種空間聽起來和我們的宇宙格格不入,因為它會導致所有物質都坍縮到一個黑洞之中。但是,科學家仍然發現了其中的有趣之處,值得深入思考,甚至令人震驚。


科學家發現,這種帶電的黑洞和自轉的黑洞有很多相似之處。而旋轉的黑洞雖然已經被發現,但遠不如帶電黑洞更容易通過數學進行推導和理解。因此,科學家們玩了一次「投機取巧」,通過對帶電黑洞的分析來理解這些旋轉的黑洞。


有趣的是,物理學家們發現,當這些黑洞的溫度降到相對比較低的程度時,在它們周圍會出現一層量子場的迷霧。這些迷霧附著在黑洞表面,承受著黑洞巨大的引力;但它們並不會被黑洞吞噬,而是在電荷相斥的作用力下受到向外的力,二者達到了平衡。這些穩定存在於黑洞周圍的迷霧,形成了一個超導體。

超導體是當今世界上比較重要的課題之一,可以實現0電阻的電流傳輸。但是,還從來沒有人見到過這樣極端環境下的超導體會表現出怎樣驚人的特性,因此這樣的理論分析也有助於科學家理解它們的數學結構,並且有可能給我們帶來令人震撼的全新認知。


那麼,在這樣詭異的黑洞之中,到底隱藏著一個怎樣的世界呢?最近,科學家們提出了他們的猜測。



首先我們來了解一下,在我們正常時空下的帶電黑洞是什麼樣的。我們知道,黑洞都有一個事件視界,在這裡連光都無法逃脫。除此之外,黑洞還有一個內部視界,這是一個量子能量極強的區域。再接下來,就是數學計算的領域了。理論上來說,黑洞可能連接著一個蟲洞,另外一頭則通往了白洞,雖然我們還沒有發現也沒有證偽。


實際情況是,我們目前沒有發現過這樣的黑洞,很多科學家也對此有很大的質疑。因為根據數學的推導,從內部視界開始,我們時空下的帶電黑洞就崩潰了。除非有科學家建立了新的物理理論,否則帶電黑洞的研究很難走得更遠。但是,如果是在反德西特時空下,帶電黑洞就不會遇到這樣的問題。而在最近的研究中,物理學家正是對這種極端情況下的黑洞進行了分析,並稱之為超導黑洞。


研究表明,超導黑洞的內部視界並不像普通黑洞那樣恐怖,將被吞噬的一切都撕得粉碎,而是可以允許人或者物質順利通過。不過,這也不意味著它就是人類要尋找的蟲洞,因為理論上來看,這裡的蟲洞也會被撕裂,無法承擔起穿越時空的重任。


但是,超導黑洞也有它的神奇之處,假如你能夠進入到它的內部,即使你看不到其他黑洞的內部視界,但是依然會發現這裡有稀奇事發生。


通常來說超導體內部會發生約瑟夫森振蕩(Josephson Oscillations),而在超導黑洞中,空間本身也會發生震蕩。所以,當你進入超導黑洞內部時,首先會隨著這裡的空間展開一段十分顛簸的旅程。先別著急回家,守得雲開見月明,當你越過震蕩區域後,真正有趣的事情就發生了。


研究人員認為,在超導黑洞的最內部,你會看見一個十分詭異、正在膨脹的迷你宇宙。在這個宇宙中,空間會在不同的方向以不同的速度拉伸和變形。


進一步的分析還表明,在特定的溫度下,這個迷你宇宙中的空間還會引發新的振蕩,然后里面還有一個正在膨脹的空間,接下來又是新的振蕩、膨脹的空間…如此無限循環下去。還記得我們介紹過的分形嗎?這就是一個分形宇宙!

所謂的分形,通常可以描述為:「一個粗糙或零碎的幾何形狀,可以分成數個部分,且每一部分都(至少近似地)是整體縮小後的形狀。」比如下面這些圖形,都是典型的分形結構——


科赫三角形




康託爾集



羅馬花椰菜



同樣的,這種分形宇宙也是在不斷地從大尺度到小尺度往復循環,無休無止地發展下去,在不同部分有自相似性。聽起來這有點像平行宇宙,但它和平行宇宙有著本質上的區別。我們不可能看到它的終點,但是可以想像那將會非常神奇。在這個分形宇宙的中心,就是黑洞的奇點——所有被黑洞吞噬的物質都集中在這裡,沒有空間,密度無限大。


在奇點處到底還有什麼更加詭異的事情,科學家也說不出來。所有目前已知的物理學定律,在奇點都會崩潰失效,我們需要更加高深的物理理論才有可能解釋這個詭異的世界。



宇宙中有黑洞,黑洞中有宇宙,這聽起來像是一個哲學的命題。誰知道呢,也許這個宇宙就是這麼詭異,處於各種各樣的無限循環之中。


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