宇宙新论：在大爆炸之前，时间和空间可能交换了位置

如果您读过有关“大爆炸黑洞假说”的故事，那么你知道宇宙可能是开始于另一个宇宙中的黑洞。考虑到这个宇宙中的物质数量，这个黑洞一定是母宇宙中的一个怪物，它吞没了宇宙中的所有物质和辐射。

从母宇宙过渡到子宇宙的惊人特征之一是时间和空间的翻转，这不仅使熵有效地复位为零，而且允许所有落入黑洞的物质在新宇宙开始的那一刻出现。

之所以说得通，是因为黑洞奇点和大爆炸奇点不像是空间中的点，而是横跨空间和时间的入口，允许物质从一个时空区域过渡到另一个时空区域。有一种理论认为，我们的宇宙大爆炸是连接另一个宇宙中的黑洞奇点（密度和时空曲率无穷大的区域）的入口。

从宇宙母体的角度来看，黑洞奇点是空间中的一个点。物质在不同的时间影响它，但是，从子宇宙的角度来看，奇点在时间上，物质在不同的地方出现。

这导致了一个惊人的结论：大爆炸并没有在空间和时间上被压缩，而是有一个初始的空间范围，就像黑洞有一个时间范围一样（存在于母宇宙的不同时间点）。这个理论来源于将代表我们宇宙的德西特宇宙与黑洞联系起来，这样所有物质就不会简单地在黑洞的奇点处结束，而是进入一个新的宇宙。

把它形象化的方法是用正形图或者彭罗斯图。这里有一个普通的、平坦的、不膨胀的（即闵可夫斯基）时空区域：

• 图片来源维基百科

彭罗斯图表

彭罗斯图只是一种透视技巧，它对可视化物体如何在弯曲的空间和时间内运动非常有用，包括穿越黑洞视界、虫洞、进入和离开宇宙，以及广义相对论所有有趣的特征。

它的工作原来是这样的。假设我想要了解像足球场这样的大场地上发生的一切，但我最感兴趣的是在场地的某个特定点上发生的事情。这个足球场场代表空间和时间。要想看到整个场景，但又要把动作保持在我视野的中心，我可能需要设置一种特殊的鱼眼镜头。这个透镜压缩远处的物体，放大近处的物体。

这个视图看起来很像透视视图，但是被扭曲了，所以平行线看起来在前场和交叉场方向上都合并到一个无限远的点上。这创建了一种菱形的视图，在视图的顶部和底部，球门柱是小点，球场的左右边界同样被压缩并以45度角连接到球门柱上。这些边界代表地平线。

一个真正的鱼眼镜头显示地平线作为一个圆圈周围的图像，而下面的行动被放大。彭罗斯的图是相似的，但是地平线代表了一束光的路径，从无限远到无限未来，从无限远的过去到无限远。因此，这四个地平线是一条直线。（我们忽略了两个空间维度，只是希望通过一个维度可以更好地理解！）

现在，在彭罗斯图中，光总是以45度角传播，无论存在何种引力影响。这是一个很好的特点，因为在一个普通的时空图中，光可以以各种方式传播。这些“光锥”告诉我们光从哪里到达我们，它可以去哪里，它可以弯曲和旋转在弯曲的时空中，因此这确实使人的过去或未来的视锥感到困惑。在彭罗斯的图表中，这一点非常清楚。任何超过45度线的东西都是“像空间”的，所以它不会影响我们，我们也不能影响它。任何低于45度的都是“时间型”，所以我们可以影响它，反之亦然。

在彭罗斯图中，黑洞是这样的：

在这个动画中，我们看到一个由蓝点给出的宇航员掉进了一个黑洞。他们把黑洞看作是来自反视界的沿着红色弯弯曲曲线到达的光。这是形成黑洞的恒星的残像，指数红移到无穷大。一旦他们通过地平线，他们观察光通过真正的地平线进入黑洞，这是只能从黑洞内部可见的（浅蓝色弯曲线）。

这里重要的一点是，黑洞中心的奇点不只是彭罗斯图中的一个点。相反，它是在类空间维度上从无限远的西延伸到无限远的东的一条线。当物质和光在黑洞的生命周期中落入黑洞时，它们撞击奇点的位置在我们图中越来越远。例如，在某一时刻，一束光会以45度角进入视界，并在一个特定点x处撞击奇点。在随后的t + T时刻，第二条光束将在点y> x处向东进一步撞击。你可以自己画，只要继续画45度线垂直地平线开始越来越远的未来。这种现象将持续整个黑洞的生命周期，每一束光线撞击奇点的位置都会越来越远。

当然，在黑洞内部，“东方”和“西方”并不等同于外部。在外面，它们意味着无限的类空间距离。在内部，它们都是奇点的一部分。奇点就像一个无限大的宇宙，只有过去，没有未来。

如果它有一个未来，而那个未来是另一个宇宙呢？如果这是真的，我们如何处理它的空间范围？

德西特宇宙

要回答这个问题，我们需要知道一些关于宇宙的事情，我们需要生活在宇宙中，这才会成为事实。这就是德西特宇宙。简单地说，德西特宇宙是存在于与双曲线等价的高维超表面（维数大于2的表面）上的宇宙。空间是在一个膨胀的超球体上（一个具有三维表面的高维球体）。

德西特宇宙长期以来一直是解释暗能量的一种方法，它只是德西特拓扑结构的一个特征。在最广为接受的宇宙学模型中，代表暗能量的宇宙常数与超球面的膨胀速率有关。当与黑洞奇点相连接时，德西特宇宙需要一个宇宙常数来产生一个平坦的宇宙。这正是我们在宇宙中观察到的。

• 德西特时空

德西特宇宙的另一个特征是它的彭罗斯图是正方形而不是菱形。这意味着德西特宇宙在遥远的过去和未来都有类似空间的范围。非膨胀的闵可夫斯基时空的标准彭罗斯图假设所有的光束在无限的过去和未来中汇聚，而在德西特宇宙中，它们不是这样的。由于德西特宇宙自身的膨胀，点可以无限期地保持像空间一样的分离。因此，即使在无限长的时间内，一个观察者也不能访问整个宇宙。

这意味着当你把德西特宇宙和黑洞奇点联系起来时，坠入黑洞的物质会在德西特宇宙的大爆炸中出现在像空间一样的不同点上。此外，物质出现的地方与它在母体宇宙中下落的时间是相关的。因为德西特宇宙从大爆炸开始膨胀，这些点可以在很长一段时间内保持像空间一样的分离。因此，虽然大爆炸似乎是空间和时间中的一个点， 但这是一种幻像，是由于空间本身的迅速膨胀而产生的。

你可以把它想象成一个表面有许多点的气球，每个点代表在不同时间落入黑洞的物质。在大爆炸时，这些点像空间一样分开，所以当膨胀开始时，它们开始随着时间而相互作用。

这让我们得出了一个惊人的结论：宇宙很可能比我们所能观测到的要大得多，我们所能看到的所有物质都是在母宇宙中大约同一时间落入黑洞的物质（这是很多的物质，我甚至无法想象一个宇宙大小的黑洞是如何一下子形成的。关于黑洞的形成，我们还有很多不知道的地方）。

它还表明，这个宇宙中物质的分布超出了可观测到的范围，这与物质进入母体宇宙黑洞的速度有关。我们可以把大部分都放在可观测的邻近区域或者在我们能观测到的区域之外还有更大更密集的区域。这是彭罗斯的两个宇宙连接图：

• 物质落入黑洞并出现在德西特宇宙中

解决视界问题

这个理论解决了视界问题。地平线问题是指天空的所有区域似乎都是相互关联的。这在任何标准的大爆炸模型中都是不正确的。只有在大爆炸时离得很近的区域才应该是相关的，而当宇宙微波背景辐射（CMB）在大爆炸后仅300 kYrs发出时，天空中离得很近的区域才应该是相关的。膨胀理论就像是说宇宙最初被放进了一个巨大的量子搅拌机，这就足以把一切联系起来。

黑洞大爆炸宇宙学在没有量子解释的情况下解释了膨胀，解决了视界问题。相反，构成可观测宇宙的物质，包括宇宙微波背景辐射，都在同一时间落入黑洞。因此，当它落进去的时候，所有的东西都变得相关起来。与此同时，可观测宇宙之外的物质可能与内部的物质并不相关，因为这些物质落入黑洞的时间不同。不幸的是，我们永远无法看到它来证实这个假设。

展望未来

不幸的是，现在还没有很好的实验来区分黑洞大爆炸理论和不包括黑洞起源的膨胀理论。目前，尽管缺乏粒子理论的解释，膨胀理论仍被认为是一门基本稳定的科学。另一方面，德西特宇宙只有在膨胀理论的背景下才有意义。虽然在今天的宇宙中寻找母宇宙的遗迹可能很诱人，但在物质落入黑洞之前，除了相互关系之外，不太可能有任何其他明确的特征，因为在连接黑洞拓扑和德西特的区域，潮汐力实际上变成了无限大的。因此，所有的物质在形成一个新的宇宙之前都会被压缩到量子浆糊。

不过，很明显，这个理论是另一种宇宙学理论的有力竞争者，该理论排除了宇宙的最终终结和开端，并表明存在许多由黑洞连接的宇宙。此外，它还预测了可观测的宇宙并不是这个宇宙的全部。另一方面，由于黑洞不会持续无限长的时间，最初的大爆炸在空间大小上也可能不是无限的。然而，这个宇宙的生命周期却没有这样的限制。它可能最终将其物质循环进入另一个宇宙。考虑到宇宙看起来是平的，而不是走向大的收缩，尚不清楚这是如何发生的。