宇宙新論：在大爆炸之前，時間和空間可能交換了位置

如果您讀過有關「大爆炸黑洞假說」的故事，那麼你知道宇宙可能是開始於另一個宇宙中的黑洞。考慮到這個宇宙中的物質數量，這個黑洞一定是母宇宙中的一個怪物，它吞沒了宇宙中的所有物質和輻射。

從母宇宙過渡到子宇宙的驚人特徵之一是時間和空間的翻轉，這不僅使熵有效地復位為零，而且允許所有落入黑洞的物質在新宇宙開始的那一刻出現。

之所以說得通，是因為黑洞奇點和大爆炸奇點不像是空間中的點，而是橫跨空間和時間的入口，允許物質從一個時空區域過渡到另一個時空區域。有一種理論認為，我們的宇宙大爆炸是連接另一個宇宙中的黑洞奇點（密度和時空曲率無窮大的區域）的入口。

從宇宙母體的角度來看，黑洞奇點是空間中的一個點。物質在不同的時間影響它，但是，從子宇宙的角度來看，奇點在時間上，物質在不同的地方出現。

這導致了一個驚人的結論：大爆炸並沒有在空間和時間上被壓縮，而是有一個初始的空間範圍，就像黑洞有一個時間範圍一樣（存在於母宇宙的不同時間點）。這個理論來源於將代表我們宇宙的德西特宇宙與黑洞聯繫起來，這樣所有物質就不會簡單地在黑洞的奇點處結束，而是進入一個新的宇宙。

把它形象化的方法是用正形圖或者彭羅斯圖。這裡有一個普通的、平坦的、不膨脹的（即閔可夫斯基）時空區域：

• 圖片來源維基百科

彭羅斯圖表

彭羅斯圖只是一種透視技巧，它對可視化物體如何在彎曲的空間和時間內運動非常有用，包括穿越黑洞視界、蟲洞、進入和離開宇宙，以及廣義相對論所有有趣的特徵。

它的工作原來是這樣的。假設我想要了解像足球場這樣的大場地上發生的一切，但我最感興趣的是在場地的某個特定點上發生的事情。這個足球場場代表空間和時間。要想看到整個場景，但又要把動作保持在我視野的中心，我可能需要設置一種特殊的魚眼鏡頭。這個透鏡壓縮遠處的物體，放大近處的物體。

這個視圖看起來很像透視視圖，但是被扭曲了，所以平行線看起來在前場和交叉場方向上都合併到一個無限遠的點上。這創建了一種菱形的視圖，在視圖的頂部和底部，球門柱是小點，球場的左右邊界同樣被壓縮並以45度角連接到球門柱上。這些邊界代表地平線。

一個真正的魚眼鏡頭顯示地平線作為一個圓圈周圍的圖像，而下面的行動被放大。彭羅斯的圖是相似的，但是地平線代表了一束光的路徑，從無限遠到無限未來，從無限遠的過去到無限遠。因此，這四個地平線是一條直線。（我們忽略了兩個空間維度，只是希望通過一個維度可以更好地理解！）

現在，在彭羅斯圖中，光總是以45度角傳播，無論存在何種引力影響。這是一個很好的特點，因為在一個普通的時空圖中，光可以以各種方式傳播。這些「光錐」告訴我們光從哪裡到達我們，它可以去哪裡，它可以彎曲和旋轉在彎曲的時空中，因此這確實使人的過去或未來的視錐感到困惑。在彭羅斯的圖表中，這一點非常清楚。任何超過45度線的東西都是「像空間」的，所以它不會影響我們，我們也不能影響它。任何低於45度的都是「時間型」，所以我們可以影響它，反之亦然。

在彭羅斯圖中，黑洞是這樣的：

在這個動畫中，我們看到一個由藍點給出的太空人掉進了一個黑洞。他們把黑洞看作是來自反視界的沿著紅色彎彎曲曲線到達的光。這是形成黑洞的恆星的殘像，指數紅移到無窮大。一旦他們通過地平線，他們觀察光通過真正的地平線進入黑洞，這是只能從黑洞內部可見的（淺藍色彎曲線）。

這裡重要的一點是，黑洞中心的奇點不只是彭羅斯圖中的一個點。相反，它是在類空間維度上從無限遠的西延伸到無限遠的東的一條線。當物質和光在黑洞的生命周期中落入黑洞時，它們撞擊奇點的位置在我們圖中越來越遠。例如，在某一時刻，一束光會以45度角進入視界，並在一個特定點x處撞擊奇點。在隨後的t + T時刻，第二條光束將在點y> x處向東進一步撞擊。你可以自己畫，只要繼續畫45度線垂直地平線開始越來越遠的未來。這種現象將持續整個黑洞的生命周期，每一束光線撞擊奇點的位置都會越來越遠。

當然，在黑洞內部，「東方」和「西方」並不等同於外部。在外面，它們意味著無限的類空間距離。在內部，它們都是奇點的一部分。奇點就像一個無限大的宇宙，只有過去，沒有未來。

如果它有一個未來，而那個未來是另一個宇宙呢？如果這是真的，我們如何處理它的空間範圍？

德西特宇宙

要回答這個問題，我們需要知道一些關於宇宙的事情，我們需要生活在宇宙中，這才會成為事實。這就是德西特宇宙。簡單地說，德西特宇宙是存在於與雙曲線等價的高維超表面（維數大於2的表面）上的宇宙。空間是在一個膨脹的超球體上（一個具有三維表面的高維球體）。

德西特宇宙長期以來一直是解釋暗能量的一種方法，它只是德西特拓撲結構的一個特徵。在最廣為接受的宇宙學模型中，代表暗能量的宇宙常數與超球面的膨脹速率有關。當與黑洞奇點相連接時，德西特宇宙需要一個宇宙常數來產生一個平坦的宇宙。這正是我們在宇宙中觀察到的。

• 德西特時空

德西特宇宙的另一個特徵是它的彭羅斯圖是正方形而不是菱形。這意味著德西特宇宙在遙遠的過去和未來都有類似空間的範圍。非膨脹的閔可夫斯基時空的標準彭羅斯圖假設所有的光束在無限的過去和未來中匯聚，而在德西特宇宙中，它們不是這樣的。由於德西特宇宙自身的膨脹，點可以無限期地保持像空間一樣的分離。因此，即使在無限長的時間內，一個觀察者也不能訪問整個宇宙。

這意味著當你把德西特宇宙和黑洞奇點聯繫起來時，墜入黑洞的物質會在德西特宇宙的大爆炸中出現在像空間一樣的不同點上。此外，物質出現的地方與它在母體宇宙中下落的時間是相關的。因為德西特宇宙從大爆炸開始膨脹，這些點可以在很長一段時間內保持像空間一樣的分離。因此，雖然大爆炸似乎是空間和時間中的一個點， 但這是一種幻像，是由於空間本身的迅速膨脹而產生的。

你可以把它想像成一個表面有許多點的氣球，每個點代表在不同時間落入黑洞的物質。在大爆炸時，這些點像空間一樣分開，所以當膨脹開始時，它們開始隨著時間而相互作用。

這讓我們得出了一個驚人的結論：宇宙很可能比我們所能觀測到的要大得多，我們所能看到的所有物質都是在母宇宙中大約同一時間落入黑洞的物質（這是很多的物質，我甚至無法想像一個宇宙大小的黑洞是如何一下子形成的。關於黑洞的形成，我們還有很多不知道的地方）。

它還表明，這個宇宙中物質的分布超出了可觀測到的範圍，這與物質進入母體宇宙黑洞的速度有關。我們可以把大部分都放在可觀測的鄰近區域或者在我們能觀測到的區域之外還有更大更密集的區域。這是彭羅斯的兩個宇宙連接圖：

• 物質落入黑洞並出現在德西特宇宙中

解決視界問題

這個理論解決了視界問題。地平線問題是指天空的所有區域似乎都是相互關聯的。這在任何標準的大爆炸模型中都是不正確的。只有在大爆炸時離得很近的區域才應該是相關的，而當宇宙微波背景輻射（CMB）在大爆炸後僅300 kYrs發出時，天空中離得很近的區域才應該是相關的。膨脹理論就像是說宇宙最初被放進了一個巨大的量子攪拌機，這就足以把一切聯繫起來。

黑洞大爆炸宇宙學在沒有量子解釋的情況下解釋了膨脹，解決了視界問題。相反，構成可觀測宇宙的物質，包括宇宙微波背景輻射，都在同一時間落入黑洞。因此，當它落進去的時候，所有的東西都變得相關起來。與此同時，可觀測宇宙之外的物質可能與內部的物質並不相關，因為這些物質落入黑洞的時間不同。不幸的是，我們永遠無法看到它來證實這個假設。

展望未來

不幸的是，現在還沒有很好的實驗來區分黑洞大爆炸理論和不包括黑洞起源的膨脹理論。目前，儘管缺乏粒子理論的解釋，膨脹理論仍被認為是一門基本穩定的科學。另一方面，德西特宇宙只有在膨脹理論的背景下才有意義。雖然在今天的宇宙中尋找母宇宙的遺蹟可能很誘人，但在物質落入黑洞之前，除了相互關係之外，不太可能有任何其他明確的特徵，因為在連接黑洞拓撲和德西特的區域，潮汐力實際上變成了無限大的。因此，所有的物質在形成一個新的宇宙之前都會被壓縮到量子漿糊。

不過，很明顯，這個理論是另一種宇宙學理論的有力競爭者，該理論排除了宇宙的最終終結和開端，並表明存在許多由黑洞連接的宇宙。此外，它還預測了可觀測的宇宙並不是這個宇宙的全部。另一方面，由於黑洞不會持續無限長的時間，最初的大爆炸在空間大小上也可能不是無限的。然而，這個宇宙的生命周期卻沒有這樣的限制。它可能最終將其物質循環進入另一個宇宙。考慮到宇宙看起來是平的，而不是走向大的收縮，尚不清楚這是如何發生的。