所谓的宇宙大爆炸，那个空间、时间和物质一齐迸发存在的奇异瞬间，通常被视作宇宙的诞生时刻。但有没有一种可能，那根本就不是开端，宇宙其实源自某种我们更熟悉、又比大爆炸更激进的事物呢？
今年5月，英国朴茨茅斯大学宇宙学和引力研究所的教授恩里克·加玆塔纳加(Enrique Gaztanaga)与同事于《物理评论D》(Physical Review D)杂志发表论文，提出一个惊人的理论：计算表明，宇宙起点并非大爆炸，而是一次引力坍缩，或者说称为引力挤压的结果，这场坍缩形成了一个超大质量黑洞，随后黑洞内部发生了“反弹”。加玆塔纳加撰文介绍了这一研究。
我与同事将这一理论命名为“黑洞宇宙”(black hole universe)。它是对宇宙起源传统观点的颠覆，但完全基于已知的物理学原理和观测事实。
当前以大爆炸和宇宙暴胀(即早期宇宙快速膨胀的理论)为基础的标准宇宙学模型，在解释宇宙结构和演化方面取得了巨大成功，但其局限性也无可争议，始终未能回答某些最根本的问题。
首先，大爆炸模型以一个奇点，一个密度无限大、让物理定律在此失效的点为起始。这种起始设定是我们在对宇宙起源一无所知的情况下“想象”出来的。
其次，为解释宇宙的大尺度结构，物理学家向早期宇宙引入了一个短暂的快速膨胀阶段，宇宙暴胀——由一种性质未知的神秘场驱动的存在。
后来，为解释当前观测到的宇宙加速膨胀现象，学界又添加另一神秘成分，暗能量。
简而言之，标准宇宙学模型虽讲得通故事，但其前提是不断引入我们从未直接观测到的新概念。
关于坍缩后再反弹膨胀的新模型
我们提出的新模型从另一个角度、以向内而非向外探索的方式来讨论各种问题——不再从一个膨胀的宇宙出发并试图追溯其起源，而是思考：当过度密集的物质集合体在引力作用下坍缩时，会发生什么事？
其实大家很熟悉这样的坍缩过程，恒星就是这么坍缩成黑洞的，而黑洞是物理学中被研究最透彻的天体之一。但黑洞内部经历着什么，仍是未解之谜。
1965年，英国物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)证明，在相当普遍的条件下，引力坍缩必然导致奇点。这一结论经已故英国物理学家斯蒂芬·霍金等人拓展后，支撑了“奇点不可避免”(正如大爆炸奇点)的观点。
上述理论帮助彭罗斯赢得了2020年诺贝尔物理学奖，也曾启发霍金的畅销书《时间简史：从大爆炸到黑洞》。
但我们必须了解：这些“奇点定理”都建立在描述普通宏观物体的经典物理学基础上；如果考虑量子力学效应(面对极端密度条件时必须考虑)，这个支配着原子和粒子微观世界的理论可能颠覆经典框架下的情况。
我们的新论文证明了引力坍缩并不必然以奇点告终。
我们找到一个精确的数学解析解，无需任何近似处理。数学推导表明，当接近潜在的所谓奇点时，宇宙大小会随宇宙时间呈双曲函数变化。简洁的数学解描述了物质坍缩云怎样达到高密度状态，然后反弹，向外反弹进入一个新的膨胀阶段。
那问题来了，上述引入量子概念后得出的可能性，在彭罗斯基于经典物理学的定理中怎么被排除了呢？
关键就在于量子不相容原理。根据该原理，任何两个相同的费米子，例如电子、质子等基本粒子，都无法占据完全相同的量子态，例如角动量或自旋态。
我们的工作表明，量子不相容原理可防止坍缩物质中的粒子被无限压缩。其结果则是，坍缩过程会停止并逆转。这种反弹不仅仅是一种可能情况，在适当条件下更是必然。
最重要的是，反弹完全发生在广义相对论与量子力学基本原理的结合框架内，前者适用于恒星和星系等大尺度结构。我们无需引入任何奇异场、额外维度或未经证实的物理理论。
在反弹的另一端，会诞生一个与我们所在的宇宙无比相似的新宇宙。更惊人的是，反弹会自然产生两个不同的加速膨胀阶段——宇宙暴胀和暗能量。这些现象并非由某种假想的量子场驱动，而出于反弹过程本身的物理机制。
可验证的预测，母宇宙里的宇宙
我们的黑洞宇宙模型有一大优势，即能做出可验证的预测。它预测宇宙存在微弱但不为零的正空间曲率，这意味着宇宙并不完全平坦，而是像地球表面一样略微弯曲。
这种曲率是最初微小的过密度现象(over-density，触发了坍缩)留下的遗迹。若未来通过观测工作，比如正在开展的欧几里得任务，证实该微小的正曲率，那将给予学界以强有力的提示——我们的宇宙或许确实源自一次反弹。此外，黑洞宇宙理论还对当前宇宙的膨胀速率作出了已经验证的可靠预测。
黑洞宇宙模型不仅能解决标准宇宙学中的技术难题，还有望为我们理解早期宇宙的其他深层奥秘带来全新启发，例如超大质量黑洞的起源、暗物质的本质、星系的层级结构与演化过程。
上述种种谜团将由未来的太空探测任务，比如欧空局的Arrakihs任务来作探索。
Arrakihs计划将会研究恒星晕和卫星星系等弥散特征。恒星晕是环绕星系的稀疏球状结构，主要组分包括恒星和球状星团；卫星星系是围绕大型星系运行的小型星系。这些结构难以通过地球上的传统望远镜观测，但将帮助我们理解暗物质和星系演化。
这些现象或许还与坍缩阶段形成并在反弹后遗存的致密天体(如黑洞)存有关联。
关于我们在宇宙中的位置，黑洞宇宙理论提供了全新视角。根据该理论框架，我们的整个可观测宇宙，都位于在某个更宏大的“母宇宙”(parent universe)里形成的某个黑洞内部。
资料来源：
What if the Big Bang wasn’t the beginning? Our research suggests it may have taken place inside a black hole
END
