本期文章

四維黑洞創太初

撰文/艾夫索帝(Niayesh Afshordi)、曼恩(Robert B. Mann)、波哈珊(Razieh Pourhasan)    

重點提要

■宇宙學家固然能夠如數家珍般精準詳盡地描述宇宙的歷史,卻無法理解某些深奧的問題。

■大霹靂的本質正是這些難解的秘密之一:我們宇宙驟然而狂暴的起源,來自於一個密度無限大的點。

■本文作者提出,大霹靂是在更高維的宇宙裡形成黑洞而呈現出來的結果,這套理論除了回答一些困難的問題,也可供驗證。

希臘哲學家柏拉圖的「洞窟寓言」,描述一群囚犯一輩子都被鏈鎖在一個幽暗洞穴的牆邊。這些囚犯的身後有團火焰,在火焰與囚犯之間行進的物體,其陰影全投射到囚犯眼前的牆上。這些二維陰影就是囚犯能看到的所有事物,也就是他們認知的唯一現實。他們受制於身上的枷鎖,而無法見識到比認知還多出一個維度的真實世界。囚犯不得而知的這個額外維度,蘊涵了錯綜複雜的事物,足以解釋他們見到的一切現象。

柏拉圖其實意有所指。

我們或許就居住於一個巨大洞穴裡,在太初時刻形成的宇宙洞穴。標準的說法是,宇宙誕生於一個密度無限大的點引發的大霹靂。但根據我們最近的研究顯示,這個緣由或許可以從宇宙起始追溯至大霹靂之前的年代,一個具有額外空間維度的年代。今後進行的天文觀測,或許能夠揭露這個原宇宙留下的一些蛛絲馬跡。

對我們而言,宇宙具有三個空間維度與一個時間維度,科學家把此幾何結構稱做「三維宇宙」。在我們三人(本文作者)的理論中,這個三維宇宙只是一個具有四個空間維度世界的投影。具體說來,我們的宇宙誕生自這個原宇宙裡的一次恆星內爆事件,該內爆在一個四維黑洞周邊製造出一個三維殼層,我們的宇宙就是那個三維殼層。

我們為何要假設乍聽之下如此荒謬的事情呢?這有兩個原因。第一,我們提出的概念並非空泛的臆測,而是依據充份描述時間與空間的數學。

過去20幾年來,物理學家發展出一套豐富的全像理論(theory of holography),利用一組數學工具,把某一維度事件的物理描述,轉譯到另一個不同的維度上。舉例來說,研究人員可以求解相對簡單的二維流體力學方程式,並利用那些結果來了解複雜許多的系統,例如三維黑洞的動力學。從數學上來說,這兩種敘述是可以互相轉換的,流體能夠完美類比黑洞。

全像理論的成功,讓許多科學家相信那不僅僅是一套有效的數學轉換而已。或許維度之間的界限並不如我們想像的那麼壁壘分明,或許宇宙定律是以另一組維度來描述,並轉譯到我們認知的三維宇宙裡。又或許就如同柏拉圖寓言中的囚犯一樣,我們所處的環境矇騙了我們,誘使我們相信這世界是三維的;而事實上,只有當我們在第四個維度中尋求解釋時,才能更深刻地理解我們認知的世界。

我們三人的四維宇宙理論值得仔細考量的第二個原因是,對這個宇宙的澈底研究將有助於我們理解宇宙起源與特性的深層問題,例如探究大霹靂這道導致宇宙誕生的太初閃光。現代宇宙學認為大霹靂之後緊隨著「暴脹」(inflation)──宇宙體積在極短時間內迅速膨脹了1078倍(或更多),但這階段的膨脹並無法讓我們更深刻地了解造成大霹靂的原因。相反地,我們的四維宇宙理論提供了一個答案,以解決這項終極秘密:宇宙究竟從何而來?


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