对宇宙学中一些问题的个人猜测

汪昕

摘 要 最早对黑洞这个概念的思考始于18世纪。有人想到，如果有质量足够大的恒星，它的逃逸速度甚至比光速还要大，那么它就无法被人观测到，成为一颗无法被观测到的完全黑暗的恒星直。直至今日，对所有人来说，黑洞仍然是一个充满神秘色彩的星体。

关键词 黑洞 暗能量 外层黑洞

中图分类号：F832.46 文献标识码：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

黑洞的内部究竟是什么样的，根据现有的知识恐怕还远远不够对其做出准确的预测，所有的理论既不能被证实，也不能被证伪，所以对其内部世界的猜测可以说是相对“安全”的。在这里，我也对此做出自己的推测。

1 宇宙是一个黑洞吗

物理学中定义了“黑体”这一理想物体，它可以吸收所有波长的辐射。当然，如果是完全意义上的黑体，那么由于它将入射的电磁波全部吸收，我们将无法对其进行研究，所以一般所说的黑体并不是理想完全的黑体，而是近似的黑体。并且，我们承认，不存在理想的黑体，这就意味着我们测量所得到的辐射谱都会与理想状况所预言的有所偏差。但是，有一种辐射谱却几乎与理想状况完全符合，那就是宇宙微波背景辐射谱。

如果要研究一个完美的黑体，那么我们当然不能在黑体以外进行观测，可是若在黑体的内部进行观察就不成问题了，这也许可以推导出“我们所处的宇宙是一个黑体”这样的结论。然而，这个黑体是什么样呢？就我现在的所知看来，黑洞是最有力的候补。

由于无法直接观测黑洞，所以它本身是否存在这个问题在科学界都被争议了相当长的一段时间。不过现在，可以通过间接观察的方法来对黑洞进行一些测量。由于有一些星体的运动方式看起来是受到了大质量恒星的吸引而又无法找到这样的恒星，那么就可以间接的预言这里存在着一个黑洞。

2 我们的宇宙

如果假设宇宙是处于一个黑洞之中，那么很容易可以联想到，这个黑洞应该又在一个“外层”的宇宙之中，然后这个“外层的宇宙”仍然是在一个黑洞之中，黑洞又存在于一个“更外层”的宇宙里。这个想法与多重宇宙理论有些类似，但是各个宇宙之间不是平行而是从属关系。

考虑到我们所处的宇宙处处应符合同样的物理规律，那由此推论这个“外层黑洞”与我们的宇宙中的黑洞即使有所不同，也应该有着类似的行为。与我们的黑洞相类比，可以想象这个“外层黑洞”在不断吞噬周围一切物质的样子。这些被吞噬的物质并不会掉入黑洞的中心，而是在视界面上“静止”，这样也就防止了我们的宇宙中会不断喷涌出新的物质。这些被吸入的物质在“外层黑洞”的视界面与引力场边界之间形成了一个环带。这个环带的质量每个黑洞应该有所差异，但绝大多数，可以想象，其质量是十分巨大的。虽然黑洞隔绝一切电磁信号的作用，但却无法屏蔽这质量巨大的环带所产生的引力作用。这个环带对“外层黑洞”的内部，也就是我们的宇宙应该也会有所影响。

最直接可以联想到的就是吸引作用。我们知道，宇宙正在加速膨胀，这也是我们预言暗能量的最大根据之一。 由于宇宙之中各种物质的相互吸引，人们层一度认为宇宙应该在膨胀一段时间后开始收缩。但观测结果推翻了这样的观点，这也迫使人们提出“应该存在无法观测到的能量”这样的理论来解释现象。

以之前的想法为前提，我们可以换一个思路来解释这个问题。如果这个“外层宇宙”的环带部分可以对内部有所影响，那么，受到这部分质量所产生的引力势能的影响，我们的宇宙中的物质便开始加速运动。这个环带的质量由于黑洞的行为可能会有所变化，引起我们宇宙的膨胀加速度发生变化。对我们宇宙中的黑洞环带的性质进行测量并且与宇宙加速膨胀的加速度变化进行对比也许可以验证这个推测。

3 关于引力波

1916年，爱因斯坦预言了引力波的存在。今年年初，引力波的成功探测让人们开始接触它。

长久以来，引力波的探测是非常艰难的工作，原因之一在于它实在太微弱了，以至于很容易被环境中任何信号覆盖掉。引力波的探测依靠光的干涉原理。通过两个很长的腔中的激光，在腔受到引力波的影响后腔长度发生变化，导致激光光程差发生变化，会让干涉条纹发生移动，从而探测到引力波。今年探测到的是来源于双黑洞融合所产生的引力波。

M理论认为，我们的宇宙在一个高维的膜之上，并且还有额外的维。几乎所有存于宇宙内的东西都被束缚在这个膜上，而引力是一例外。引力子被描述为闭环弦，它无法被束缚在膜上，因此有机会移动到其他的维中，这也是为什么我们的世界中引力相互作用如此微弱的原因。这些额外的维是什么，为什么我们只能感受到包括时间在内的四维？人们给出的猜测是，这些额外的维都因为卷曲而变得十分微小，小到几乎无法被观察到的地步。这个解释要被验证是相当困难的。

回到之前讲的推测中的“外层宇宙”。我们的宇宙中所产生的引力相互作用应该也可以传播到这个“外层宇宙”中，“外层宇宙”中产生的引力作用也应该可以被我们接收到，尽管小到我们连忽略了它这件事都意识不到。既然引力波可以在两个宇宙之间传播，我们有机会用它来解读一些信息。说不定“外层宇宙”中的某种智慧生命体已经通过我们的宇宙发出的引力波意识到了他们的宇宙中某个黑洞内有我们的存在，但这些对现在的我们来说没有意义。我们关心的是，我们是否有可能从这些引力波中找到关于我们宇宙的一些问题的答案。

如果这个“外层宇宙”存在，它的维不一定与我们所熟悉的三维世界一样，也许它有更多的维度，这些维度在我们的宇宙之外，而又包含着我们的宇宙，对我们有种种的影响，同时又无法被我们观察到。这些维度可能可以成为那十维或十一维的线索。

接收到宇宙诞生初期的引力波是引力波探测领域的最高目标之一，这些引力波中包含着宇宙诞生的秘密。距离宇宙诞生已经过去百亿年的时间，这项工作的难度是可想而知的。然而，如果说我们的宇宙是在一个“外层宇宙”的某一个黑洞之内成立的话，可以推测得知我们宇宙中的黑洞也应该有孕育一个宇宙的能力。通过对黑洞的探测，我们可以挑选出一些具有产生新的世界的能力的黑洞，对它们产生的引力波进行精细的探测，与我们猜测的宇宙起源做对比，说不定可以从中获取答案。

4 宇宙的边界

如果说宇宙在一个黑洞之中，那么可以肯定的是，宇宙是有边界的，毕竟就连这个“外层黑洞”也是有边界的。宇宙的边界就如同一个气球，宇宙中的一切物质都散落在这个气球的球面上，气球膨胀的大小就是我们宇宙边界的尺寸。物质不可以从这个球面上脱离出去。但是，由于宇宙在膨胀，那就意味着宇宙的边界在不断扩大，然而这个“外层黑洞”不可以无限的扩大，实际上，它的尺寸不应该怎么变化，这就产生了一个问题：宇宙的边界要怎么样增大？

由于我们只有构建三维空间模型的能力，所以想要讨论高维的东西只能靠高维在三维上的投影来计算。若是想描绘出超过三维的世界是什么样子，这个问题已经超出了我们的能力。要讨论更高的维度，只能用二位来做一个类比。设想在一个最普通的三维直角坐标系中，我们的宇宙被规定限制在X-Y平面的一层薄膜上，这就好像我们看电影荧幕中的我们自己。而这个“外层黑洞”并不是被束缚在这个二维膜上的，它包含了这个世界的维度，它包含了这个坐标系中的Z轴，也就是说，无论这个二维的世界如何扩张，都不会改变更高维度的尺寸，这样，也许可以解决这个问题。

上面的模型又会产生一个新的问题，如果这个二维膜在第三维中所处的位置发生任何细微的变化，那么它都将不再属于原来的那个膜的世界。换句话说，这样的模型会产生无数个平行的二维膜世界。回到我们所熟知的宇宙，这个假设会给我们带来同样身处一个“外层黑洞”中的其它的无数个世界。如果“外层宇宙”中某种智慧生物有能力观察它们黑洞中的世界的话，说不定他们可以想调电视机的频道一样观察各个宇宙的样子。这个假设很有意思，但它看起来对现在的我们并没有什么帮助，所以它无论成立与否，都可以先放下来暂且不谈。

我希望讨论的问题是对我们有意义的问题，即使是完完全全的错误，也可以在未来的讨论中明确的告诉其他人“这样是行不通的”，而不是那些无论正确与否都无关紧要的问题。所以，这个模型给我的有一些意义的问题是，我们若是在宇宙中朝着一个方向永远前进下去，我们真的有可能会回到原点吗？

如果宇宙是三维空间上的一张球形膜，那么在地球这个球面上生活的经验告诉我们，如果我们一直朝着一个方向走，终究会回到出发的地方，所以，宇宙中的行动轨迹也应如此。那么，我们所接收到的某一个较近星球的信号，与一个较远星球的信号会不会是同一个星球朝两个方向所发射出来的呢？其中一个直接到达了地球，而另一个则是绕着宇宙转了一大圈，然后最终也来到了地球，由于长途跋涉我们误以为这是另一个星球所发射的信号。如果事实如此，那么必将引起天文界的极大浪潮。当然，这样的情况并不会发生。现在的宇宙学研究表明，宇宙在极早期的时候曾经历过被称之为“暴涨”的过程，暴涨理论认为，宇宙在极短的时间内经历了一个极大倍率的膨胀过程。这个过程太过迅速，让一些物体的光甚至无法到达我们这里。这个理论解决了宇宙的平摊性问题，同时也告诉我们即使在自己的宇宙中也有看不见的区域，即在我们的宇宙中也存在一个视界。我们的宇宙存在的时间还太短，即使是最短的路径，仍然有大部分信号传达不到我们的地球，更不用谈绕过整个宇宙回到地球这件事了。不过，过了足够长的时间，我们应该能够接收到那些“从另一侧绕回来”的信号，宇宙中的视界最终会从各个方向连到一起。

参考文献

[1] 史蒂芬·霍金著.果壳中的宇宙.吴忠超，译.湖南科学技术出版社.

[2] Brian Greene.The Elegant Universe.