我们所认知的宇宙有没有可能本身就是一个黑洞？ 第1页

我们所在的宇宙空间实际上是一个黑洞的内部，这是黑洞宇宙模型（black hole cosmology）的观点。目前主流的宇宙学模型是大爆炸理论，此外还有很多非主流的宇宙学模型。黑洞宇宙模型就是其中之一。

1. 为什么宇宙在黑洞内部？

这个问题要从宇宙膨胀开始说起。

我们知道，宇宙在加速膨胀。这里膨胀的含义是，新的空间从每一处空间中产生。它导致的结果是，宇宙中的物体都在相互远离。然而，比较近的物体会被引力或电磁力拉在一起，距离不会增加（

）。空间膨胀的效果，只有在距离十分遥远的星系之间才能看出来。

在上面的例子中，由于空间膨胀，猫-老鼠之间的距离和猫-狗的距离都增加了，但是，猫-狗距离增加明显比猫-老鼠距离增加要大得多。由于空间膨胀的叠加效果，距离越远的物体，它们之间距离增加也越大。也就是说，距离我们越远的物体，远离我们的速度也就越快。由此我们不难想象，距离我们足够远的星系，远离我们的物体会达到光速。这个距离被称为哈勃半径（Hubble Radius）。而在哈勃半径以外的星系，远离我们的速度超过光速。

在黑洞宇宙模型中，哈勃半径也就是我们宇宙所在黑洞的史瓦西半径。

如果我们把一个物体压缩到史瓦西半径（的球体）以下，这个球体表面的逃逸速度就会达到光速。也就是说，这个球体就成为了一个黑洞。

史瓦西半径的计算公式十分简单：

其中G是万有引力常数，M是物体的质量，c是光速。

那么，如果我们把哈勃半径以内的所有物质压缩成一个黑洞，它的史瓦西半径会有多大呢？如果把已知的宇宙质量（由观测的宇宙密度计算）代入上面的公式，得到的史瓦西半径和哈勃半径十分接近。考虑到观测的精度和误差，可以认为这两个值是相等的。也就是说，我们所在的宇宙空间，已经是一个黑洞了。

宇宙的密度很低，相当于地球这么大体积内，平均只有一粒沙的质量（

）。物质如此稀疏的宇宙空间能形成黑洞，可能对很多人来说很不可思议。黑洞的给人的印象是往往是密度很大——如果把太阳压缩成一个黑洞，它的史瓦西半径只有3公里，而地球黑洞的史瓦西半径还不到1厘米。

从上面的公式可以看到，史瓦西半径和质量成正比，而物体的半径和质量的立方根成正比（如果密度不变）。所以，当物体质量增加的时候，史瓦西半径比物体本身的半径增长的快。一个质量很大的物体，它的史瓦西半径会达到甚至超过物体自己的半径。

然而，多数宇宙学家并不认同这个证据。他们认为，史瓦西半径和哈勃半径十分接近，只是一个巧合。

2. 黑洞内的宇宙

对黑洞的传统认识是，当物体落入黑洞，就会继续向黑洞中心坠落，最后落进黑洞中心的奇点——一个密度无穷大，体积无穷小的点。

但是，这并不是唯一可能存在的黑洞结构。

黑洞强大的引力使得时空极度弯曲，造成了一个与外面隔离的封闭时空。在这样一个封闭的空间中，如果物质大致均匀分布，广义相对论允许它保持一个稳定的内部结构，而不至于坍塌成一个奇点。那么，在没有外部物质和能量影响的情况下，黑洞宇宙是一个静态宇宙。当黑洞宇宙吸入外部物质时，由于质量增加，它的体积也随之增加，从黑洞宇宙内部来看，表现为宇宙空间的膨胀。所以，在黑洞宇宙模型中，对宇宙膨胀的解释不需要暗能量的概念。

一个黑洞宇宙通常是从一个恒星级黑洞开始的。它的内部是一个奇点还是一个婴儿宇宙，对于外部观察者来说都是一样的。当它吸收外部宇宙（母宇宙）的物质和辐射后，就会慢慢长大。在一个星系中，恒星走到生命尽头时，会变成白矮星，中子星，或者黑洞。最终，它们汇聚在星系中心，形成超过10亿太阳质量的超级黑洞。而这种黑洞的内部，就是像我们的宇宙一样的另一个宇宙。

恒星级黑洞诞生于超新星爆炸，所以它的内部温度极高（高于中子星的温度），但是它并不向外辐射能量。当黑洞宇宙膨胀，由于能量分散，温度逐渐降低。当一个黑洞宇宙膨胀到我们的宇宙大小时，温度已经下降到3K。这就是我们观察到的微波背景辐射。

黑洞宇宙的膨胀速度取决于吸入物质的数量。我们的宇宙边界膨胀速度达到光速，这意味着它需要每秒吸入10000个太阳质量的物质。

对于一些质量比较小的黑洞（如超新星爆炸留下的恒星级黑洞）来说，它们周围的时空曲率变化很大，物质在进入黑洞时会被撕裂成碎片。而质量很大的黑洞（如星系中心的超级黑洞）被称为“温柔的黑洞”，物质可以完好无损的穿过视界，进入黑洞——来到另一个宇宙。

3. 黑洞宇宙模型

黑洞宇宙模型是一个多层次的等级结构。我们的宇宙在一个更大的宇宙（母宇宙）中；母宇宙中的其他宇宙是我们宇宙的姐妹宇宙；我们宇宙中的黑洞（恒星级黑洞和超级黑洞）都包含子宇宙；同样，我们的姐妹宇宙中也有它们自己的子宇宙；而母宇宙外面是更大的祖母宇宙。

这个模型一共有多少层取决于整个空间的大小。如果整个空间是无限大的，那么宇宙层次的数目也是无限的；反之，则是有限的。

在黑洞宇宙膨胀的过程中，可能和姐妹宇宙相遇，从而合并成更大的宇宙。

以上是对黑洞宇宙模型的简单介绍。它是和大爆炸理论不同的另一种宇宙学模型，对于天文观测中的很多现象，如空间膨胀，微波背景辐射，也有不一样的解释。这种理论目前被认为是一种”类宇宙学“（alternative cosmology)，没有得到多数宇宙学家的认同。然而，从20世纪70年代到现在，仍然有部分宇宙学家在从事这个理论的研究。

参考资料

1. Pathria, R. K. (1972). "The Universe as a Black Hole". Nature240 (5379): 298–299. Bibcode:1972Natur.240..298P. doi:10.1038/240298a0.
2. Good, I. J. (July 1972). "Chinese universes". Physics Today25 (7): 15. Bibcode:1972PhT....25g..15G. doi:10.1063/1.3070923.
3. T Zhang (2009) "A New Cosmological Model: Black Hole Universe", Progress in Physics (http://www.ptep-online.com/index_files/2009/PP-18-01.PDF)