为什么有人说宇宙可能处在一个巨大的黑洞中？

　　#黑洞#

　　黑洞（英文：Black Hole）是现代广义相对论中，存在于宇宙空间中的一种天体。黑洞的引力极其强大，使得视界内的逃逸速度大于光速。故而，“黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。

　　1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解，这个解表明，如果一个静态球对称星体实际半径小于一个定值，其周围会产生奇异的现象，即存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这个定值称作史瓦西半径，这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。

　　黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因黑洞引力带来的加速度导致的摩擦而放出x射线和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹来得出，还可以取得其位置以及质量，比如，前两年火爆全网的黑洞照片，正是黑洞的吸积盘。

　　

　　正因为黑洞有着这样的特性，人类只能用间接的方式来观测它，所以它被称为是宇宙中最神秘的天体类型。

　　那么，为什么有人说宇宙可能就处在一个巨大的黑洞当中呢？

　　这需要我们先了解两个概念，一个是曲率，一个是挠率。

　　曲线的曲率（curvature）就是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。数学上表明曲线在某一点的弯曲程度的数值。

　　曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。

　　曲率的概念众所周知，可是挠率你有听说过吗？

　　可能你也发现了，图中的图像并非二维平面中的一条曲线，而是三维空间中的一条曲带，如果想要描述这张曲带的弯曲程度，就需要挠率出手了。

　　挠率，它的绝对值度量了曲线上邻近两点的次法向量之间的夹角对弧长的变化率。平面曲线是挠率恒为零的曲线。空间曲线如不是落在一平面上，则称为挠曲线。

　　在三维曲线的基本微分几何中，曲线的挠率代表曲率平面的扭曲程度。

　　也就是说，挠率≈曲率的升级版，曲率描述的是曲线切线方向上的弯曲程度，而挠率可以描述曲线法线方向上的弯曲程度，正因如此，挠率可以用来描述三维空间的弯曲程度。

　　在宇宙的大尺度观察中，挠率通常被认为是接近0的。这是因为，在整个宇宙观察范围内，宇宙的形状被假设为平坦的，即它没有弯曲或弯曲很少。

　　这种平坦的假设是基于宇宙的观察数据，如微弱的背景辐射分布和大规模结构形成的观测。

　　然而，挠率不为0是有可能的，因为在宇宙的小尺度观察中，例如在黑洞附近，空间的弯曲可能非常明显。

　　那么，这又和今天的主题有什么关系呢？

　　关键来了

　　根据广义相对论的观点，引力可以被视为空间的弯曲。广义相对论是爱因斯坦的一项重要理论，它提出了物质对空间的弯曲是引力的原因。换句话说，引力是物质对周围空间的影响，导致空间弯曲，从而使其他物质受到引力。广义相对论的观点被证明是正确的，已经通过了多种实验和观测的验证。因此，现在认为引力是空间的弯曲的结果。

　　正因为引力是空间弯曲的原因，黑洞周围的空间才不像宇宙大多真空环境中一样是无挠的，黑洞是宇宙中引力最大的天体，

　　在黑洞的Schwarzschild半径（史瓦西半径）内，物体需要达到逃逸速度，才能逃逸黑洞的引力。逃逸速度是指一个物体必须具有的速度，使其能够逃逸来自一个物体的引力。对于黑洞来说，逃逸速度是光速。因此，Schwarzschild半径内的任何物体，即使是光线，都不能逃逸黑洞的引力。

　　黑洞附近的空间的挠率非常高，非常接近于无限，挠率接近于无限，就意味着空间的弯曲程度接近最大值，空间的弯曲程度接近最大值又意味着什么？

　　

　　以二维平面的曲线来说明，曲率接近极限时，曲线的首尾几乎相接，而对于曲率的升级版挠率来说，这个效果是一样的，在空间曲线的挠率接近极限时，空间的首尾几乎相接。

　　这就是按相对论的观点来看，光无法逃逸出黑洞的原因：

　　因为在极大的引力作用下，黑洞附近空间挠率极大，黑洞的史瓦西半径以内，根本没有朝外的方向，不论朝哪一边走，都只会走向黑洞内部。

　　

　　你可能也注意到了，黑洞中没有朝外的方向，这一点和我们的处境十分相似。

　　当前物理学界最前沿的理论，超弦理论将物质描述为一根根振动的弦，弦的不同振动模式形成了不同的粒子，但在超弦理论的发展之中出现了相当多的困难，其中一个困惑了物理学家许久的问题就是——对称性破缺。

　　弦理论的基础上引入超对称性之后，就变成了超弦理论，所谓“对称性”，你可以这么理解，有左就有往右，对于弦来说也是这样，它的一种振动模式形成了一种粒子，那么，与它完全相反的振动模式就会形成它的反粒子，这在诸多实验中得到了证明，但物理学家在应用此解释弦理论时遇到了困难——既然有着对称性，为什么我们处在三维空间，一维时间之中？

　　粒子为什么只能朝三个方向振动？按对称性来说，要么我们的宇宙出现在二维空间，要么出现在四维空间之中，因为只有这样维度才能满足对称，而我们所处的三维空间，根本找不到一个同时垂直于x,y,z轴三个方向的，与z轴振动模式相反的方向。

　　按照超弦理论的推断，这种对称性一定是有的，甚至不仅4维，目前的超弦理论认为，宇宙是有十个维度的，而且是必定有的。

　　为什么宇宙现在只有三个维度？或许你想到了《三体》中描述的降维打击，宇宙在高等文明的打击下一次次的降维到了三维，这也是一个相当有趣的想法，不过，目前主要流传的观点有三种，简单来说可以概括如下：

　　就如《三体》中描述的那样，宇宙规律不均匀，可观测宇宙之内只有3维，如果你能超越930亿光年，来到可观测宇宙之外，说不定就能看到有大片大片的四维宇宙，五维宇宙，六维宇宙……一直到十维宇宙。

　　在宇宙大爆炸的过程中，空间扩张时遇到了某种问题，只有其中三维在持续扩大，其中另外七维在大爆炸后极短极短的时间内就停止了膨胀，这导致超弦理论中推导的一定存在的另外7维宇宙的大小可能小于普朗克尺度，人类既无法观察，也无法找到那极小的高维空间在宇宙中的确切位置，因为人类找不到宇宙大爆炸开始的地方。

　　第三个说法，正是今天的主题：

　　宇宙处于一个有着类似“黑洞”性质的天体之中，它的引力，或是某种未知相互作用力，扭曲了空间的性质，让弦仅仅只能往三个方向振动，就如黑洞让物质在史瓦西半径以内无法朝向外的方向运动一样，这种作用力让我们只能朝3个方向运动，而所有朝其他七维的任何方向的运动，都会被扭曲到朝三维以内的方向，高维空间可能就在我们身边，只是无法朝那边移动。

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