在浩瀚的宇宙中，我们的存在犹如白驹过隙。人类的需求完全被宇宙所忽视，大自然以难以琢磨的方式，在空间和时间的尺度上施展着自己强大的威力。也许我们唯一能聊以慰籍的是，关于周围的世界，我们会提出无尽的问题，并不断追寻答案。问题之一便是，我们所处的这个特殊环境，与由恒星、星系以及黑洞所构成的宇宙画卷之间，到底存在怎样深刻的联系。

许多宇宙现象都能影响生命的存在，但有些影响会更明显一些，黑洞就是其中之一。宇宙中还没有其他天体可以如此高效地把物质转化成能量，也没有别的天体能像黑洞这样，使物质以接近光速的速率运行数万光年。另外，黑洞还能诱捕附近的物质，任何东西都无法幸免。它们是宇宙中具有终极竞争力的食客，会像一个“吃货”一样狼吞虎咽地进食，全然不顾细嚼慢咽。

落向黑洞的物质不会悄无声息地匿去。随着越来越接近视界（黑洞表面），物质会以极高的速度运动。如果黑洞本身也在自转，那么落入黑洞的物质还会以极高的速度做螺旋运动。这些物质与其他任何东西发生碰撞，巨大动能便会转化成原子和亚原子粒子的动能，释放出电磁辐射。在抵达视界前，这些数量巨大的粒子和光子可以逃离黑洞，向外喷涌而出。用一个粗略的比喻，便是浴缸排水带来的杂音。随着水流进入排水管，猛烈撞击空气中的分子，动能的一部分就会转化成声波。声波的运动速度比水快得多，可以从排水管中逃逸出来。对巨大的黑洞而言，在这样一个“消化”过程中所释放出的能量，足以对周围的星系产生广泛的影响。

物质被“喂”入超大质量黑洞的情形，就如同衣服在洗衣机中，会偶尔晃动，并发出声响一样，这个过程被称为“负载循环”。黑洞负载循环的大小代表了黑洞由吞食物质到恢复平静的转变速度。目前，位于银河系中央的超大质量黑洞正处于平静状态，但它也会随时间发生转变。天文学家推测，银河系中心黑洞的负载循环与银河系的整体状态之间存在关联。同时，它也为解释太阳系如何滋养生命，提供了有趣的线索。

负载循环

根据天文观测的结果，我们惊奇地发现，黑洞负载循环与其宿主星系的恒星组成有关。它与把物质掷入黑洞，开启黑洞的负载循环有着相同的动力学过程。这个过程可能会影响星系中恒星的种类，在负载循环巅峰时爆发的黑洞所释放出的能量，可以改变星系中恒星的组成成分。这些成分对于了解星系系统的特性至关重要。星系中的恒星可以是红色、黄色或蓝色的，蓝色的恒星通常质量最大，但寿命也最短，只需几百万年，就会燃烧殆尽。这就表明，如果你在夜空中看到了蓝色的恒星，那你就目睹了年轻恒星系统的景象和它正在经历的生老病死。

天文学家发现，如果把来自一个星系的所有光线都加到一起，整体的颜色会倾向于红色或蓝色。红色的星系多是椭圆星系，而蓝色的则是旋涡星系。介于两者之间的则被认为是过渡型星系——在这种星系中，如果蓝色的年轻恒星死去，没有产生新的恒星，那么星系也许会变得越来越红。根据颜色的混合逻辑，天文学家将这一中间地带称为“绿谷”（green valley）。

在过去的几十亿年里，正是最大的“绿谷”旋涡星系承载着最强的黑洞负载循环。在现代宇宙中，“绿谷”旋涡星系内的巨型黑洞极有规律地生长并爆发。这些星系中，恒星的总质量相当于1000亿个太阳质量。比起其他旋涡星系，如果你有幸一瞥上述任何一个“绿谷”旋涡星系，你会有更大的几率看到黑洞进食的迹象。在这些星系中，大约有1/10拥有一个正在吞食物质的黑洞——用宇宙学的术语来讲，它们的吞食过程会不断地开启和停止。

人们还不清楚“绿谷”星系和中央黑洞之间的物理关联。“绿谷”星系是一个过渡区，绝大多数其他星系不是比它红，就是比它蓝。这类星系中的系统正处于转变过程中，它甚至可能会终止内部恒星的形成。我们知道，其他环境（例如星系团和年轻的大型星系）中的超大质量黑洞也可以产生这一效果。原因可能是，这些黑洞的行为正在使星系朝着“绿谷星系”转变；也可能是，使星系发生转变的环境，正在向黑洞“喂食”物质。

随着对周围其他旋涡星系的研究，我们发现了一些证据：那些释放能量最多的黑洞，可以在数千光年的尺度上影响它的宿主星系。在物质落入黑洞的过程中，会发出强烈的紫外线和X射线，驱使热气体向外运动，扫过星系中恒星的形成区域，就像热浪横扫一个国家一样。虽然人们还不清楚，这些热气体是如何影响恒星及其内部元素的形成，但它的确对此起了很大的作用。

同样，如此强劲的能量，还会影响星系中更广泛的区域。例如，一个被大型星系俘获的矮星系，在它下落的过程中，会搅动起周围的物质，并把它们送入黑洞 （呈漏斗状），就像煽动火堆的余烬，使之复燃一样。矮星系所产生的引力和压强效应，会抑制或促使这个大型星系的其他地方形成恒星。这些现象或多或少能解释，为什么一个超大质量黑洞的活动会和周围恒星的年龄 （亦即颜色）大致相关。

更引人注目的是，天文学家近来发现，银河系也是一个大型“绿谷”星系。那就是说，银河系中的超大质量黑洞应该正处于一个快速负载循环的过程中，这着实让人吃惊，因为潜伏在银河系中心的这个黑洞看上去并不非常活跃——事实上，是因为它对银心（银河系核心）周围恒星的轨道所产生的潜在影响，才让人确信它的存在。通过测量，我们发现，它的质量只有太阳的400万倍，只能算是个相对较大的黑洞。然而，根据我们对宇宙的研究，它应该是非常活跃的。

套用上世纪美国最伟大的演员之一亨弗莱·鲍嘉 （Humphrey Bogart）的一句话，宇宙有这么多星系，而我们偏偏生活在银河系。我们当然也质疑，为什么银河系就没有一个饥饿的超大质量黑洞？不过，这可能只是一个时间问题，因为和宇宙的寿命比起来，我们的存在时间毕竟太过短暂。

的确，就在不久前，事情看起来可能大相径庭。我们观测到了距离银心300光年的星际气体云所产生的X射线“回声”。从我们的角度来看，当时，也就是300年前，银河系中心的一个强大天体，向外释放出了比今天强一百万倍的X射线。2010年，美国哈佛大学的一个小组公布了一项惊人的发现：通过观测伽马射线，他们发现了一个来自银河系内部的暗弱却极其庞大的结构。这个结构横贯天空，看上去就像一对气泡，每个气泡都横跨25000光年的空间尺度。这些发出伽马射线的气泡扎根于银河系的核心，它们也许就是过去10万年间，银心的黑洞在生长和活动时留下的痕迹。

种种证据拼合起来，一幅描绘我们银河家园的迷人图景逐渐浮现。如果银河系与其他成千上万个星系遵循一样的规律，那么它必定有一个“饮食规律”的黑洞。这个黑洞也许不是最大的，释放出的能量也不是最多的，但它就像银心处的一个不安分的大深渊。或许，人们已经预料到，这个引力发动机随时都会重新点燃。

共同演化

众所周知，银河系及其中央的黑洞是一个特殊的天体系统。之所以特殊，是因为它指明了宇宙环境和地球生命现象之间可能存在的关联。科学家和哲学家有时会关注“人择原理”。“人择”一词源于古希腊，意为某种东西从属于人类或者人类存在的时期。人择原理常常用来对付一些很尴尬的问题，比如，我们的宇宙是否恰好适合生命的出现。理由是，在宇宙中，哪怕只有几个基本物理定律或物理常数发生了微小的变化，这样的宇宙也无法孕育生命。目前我们仍不能很好地解释，为什么这些物理参数是这个样子。因此也许有人会问：今天的宇宙为什么就恰巧适宜生命的出现？这件事的概率不是极小吗？

和许多科学家一样，面对这些问题，我也会觉得很尴尬。因此，我们决心摒弃在任何方面都是“特殊的”偏见。正如哥白尼提出的：地球不是太阳系的中心，我们也不是宇宙的中心。其实，现代宇宙学所描述的宇宙并没有实际意义上的中心。关于一些人择原理的争论，人们也需要慎重回答。多重现实或多重宇宙也许能够解决“我们是特殊的”这一问题。假如我们所在的宇宙只是多维宇宙中的一个，那么我们的存在也就不足为奇：我们只是生活在一个恰好允许生命存在的宇宙中，并没有什么特殊性，就像是一个拥有适宜气候的岛屿。

这些信息确实让我们感觉好多了，但也促使我们进一步思考，一个宇宙需要满足哪些条件，才能出现生命。银河系，包括我们自己，恰好处于超大质量黑洞活动的最佳影响位置，这是非常让人吃惊的。这可不仅仅是巧合，我们首先想到的问题是，太阳系是否受到了25 000光年之外的黑洞活动的直接物理影响。

那颗超大质量黑洞，对银河系“郊区”孕育生命的行星的宜居性，又有怎样的影响？在黑洞开启、进食并释放能量的过程中，我们并没有看到它变得多么明亮。不过，从银盘延伸出的巨大而炽热的伽马射线泡来看，的确表明黑洞释放出了巨大能量，但并不朝向我们。即使曾经有过更剧烈的天体活动，必定也是很遥远的事情，甚至早于太阳系的形成（45亿年前）。从那以后，银心的中央黑洞对银河系“郊区”（比如太阳系）的物理影响变得适中（才有了生命的出现）。

对生命来说，这也许是件好事。如果行星（类似地球）暴露在大幅增加的星际辐射（高能光子和高速运动的粒子）之下，生物体内的分子会受到辐射的损害，甚至影响大气和海洋的结构以及化学成份。我们可能相对较好地被保护了起来，没受到来自银心（距离我们25 000光年）的辐射侵袭。但如果我们更靠近银心的话，就会截然不同。看来，我们没有居住在一颗更加靠近银心的行星上并非偶然。所以，我们不必在此时——而非数十亿年前的过去或者将来——发现自己的存在而感到惊讶。

和其他许多星系一样，银河系也会与中央的超大质量黑洞共同演化。确实，根据目前的线索，我们也许可以同时回答两个问题：银河系中央的黑洞如何直接影响地球上的生命，以及作为银河系状态的指示器，它到底起到了什么样的作用。超大质量黑洞和宿主星系之间的联系，为我们提供了一个测量星系演化的实在工具。在年轻宇宙中，受到黑洞强烈影响的类星体，一般都出现在最大的椭圆星系中，它们绝大部分位于星系团的核心。这些星系在宇宙早期迅速形成，目前，它们当中的恒星几乎都已衰老，星系中的绝大部分原始气体，也因温度过高而无法形成新的恒星或行星。

至于其他椭圆星系，其巨大的、类似蒲公英头部的部分（由恒星组成），似乎形成于星系并合的后期。在星系形成过程中，某些未知的东西会“终止”恒星的形成，目前我们认为，超大质量黑洞所输出的能量（虽不剧烈，但能量惊人）是解释这一现象的绝佳候选者。

另外，旋涡星系盘中央的恒星核球（星系盘中央上下凸起部分，由大量恒星组成，包裹着中央黑洞）也暗示了中央黑洞的存在。它们的一些模式和椭圆星系相同。在两种星系中，中央黑洞的质量都能够达到周围恒星总质量的1/1 000。与我们相邻的仙女星系就是一个例子，恒星核球比银河系的大20倍。

位于仙女星系（等级）之下的星系，属于无核球星系，包括许多旋涡星系。虽然银河系是一个巨大的星系（位列宇宙中已知的最大星系之一），但中央黑洞是相对较小的。在这些星系中，恒星核球的缺失一直是个谜：原因可能是，星系的原始物质最初很少，无法形成核球，或者说，其中央黑洞从来就没有真正起作用，又或者是，很少有体积较小的星系或物质团块掉进过这些星系，星系周围大量的矮星系对此也无计可施。在星系大家族中，那些名副其实的小不点（矮星系）十分可怜，它们往往只含有几千万颗左右的恒星，这也表明了，气体和尘埃没有再形成新的恒星。所以，这些矮星系（富含原始星际物质）常常十分暗弱，恒星几乎全无，就好像有人忘记点亮灯芯一样。

银河系目前依然在不断形成新的恒星，速率接近每年3个太阳质量。站在人的角度来看，这个数字并不大，但这也表明了，人类祖先从坦桑尼亚奥杜瓦伊峡谷中的某个地方直立走出来到现在，银河系已经诞生了至少1 000万颗恒星。这在140亿岁高龄的宇宙中，并不是一件坏事。年轻宇宙中的巨型星系，即那些从核心发出耀眼光芒的类星体，在某种程度上，已燃烧殆尽。这些星系中央的黑洞剧烈喷出的物质扼杀了任何新恒星的诞生：接近光速运动的空泡发出的压力波，会阻挠物质冷却下来形成恒星。而此时，银河系还在不断形成新的恒星。

时空诞生于四维黑洞

我们也许正生活在一个巨大的宇宙洞穴中，这个洞穴在万物之初就出现了。按照标准说法，宇宙是由一个密度无限大的点经过大爆炸而产生的。但通过最近开展的一些计算工作，我们可能会将宇宙的诞生追溯到大爆炸之前的纪元里，那时的空间要比现在的宇宙空间多出一个维度。

即将开展的一些天文观测，可能会找到这个“原初宇宙”（Protouniverse）留下的一些蛛丝马迹。以往的经验告诉我们，宇宙有三个空间维度和一个时间维度，我们将这种几何结构定义为“三维空间宇宙”。但在我们的新宇宙模型里，这个三维宇宙不过是一个四维宇宙的投影。明确来说，我们整个宇宙诞生于高维宇宙中的一次恒星塌缩。这次塌缩在四维宇宙中产生了一个四维黑洞；黑洞的三维表面，就是我们生活的宇宙。我们为什么要提出这样一个听起来很荒诞的理论？

这有以下两个理由。

第一，我们的理论并非异想天开，它有坚实的数学基础，从而可以正确描述时空。过去几十年，物理学家发展出了完善的全息理论（Theory ofHolography）。他们有一套数学工具，可以将某个维度上的物理过程，转而在另一个维度上描述。举例来说，二维空间中的流体动力学方程相对简单，研究人员就可以解出方程，并利用这些二维解来理解一些更复杂的系统（如三维黑洞的动力学过程）。在数学上来说，这两种描述是相通的——人们可以用流体来完美类比难以捉摸的黑洞。

全息理论的成功使很多科学家相信，它可能是一个深层次、根本性的理论，而不仅仅是一个数学变换那么简单。或许，不同维度之间的界限，并不像我们想象得那么难以逾越；或许，宇宙基本原理是存在于另一个维度中的，然后被转换到我们看到的这个三维世界中；或许，就像柏拉图寓言中的囚徒，日常经验欺骗了我们，让我们误以为世界是三维的，只有当我们把目光投向第四个维度时，一切才会豁然开朗。

第二，四维宇宙假说值得关注的另一个原因是，通过严谨地研究四维宇宙，或许可以帮助我们了解宇宙的本质，回答宇宙起源之谜，比如创世的闪光——大爆炸之谜。

现代宇宙学认为，在大爆炸之后，宇宙紧接着进入了空间极速膨胀的时期——暴胀（Inflation），在此期间早期宇宙的体积增加了 10 78 倍以上。不过，暴胀学说仍没能回答是什么导致了大爆炸。相比之下，四维宇宙模型回答了这个终极谜题——宇宙究竟从何而来？

我们研究四维宇宙正是为了解决三维宇宙中存在的问题。现代宇宙学已经取得了巨大的成功，但成功的光环下，却隐藏着深刻而复杂的谜团。对这些谜团的求索，让研究人员想到了全息理论。宇宙学家用几个简单的方程（其中最重要的几个是爱因斯坦写出来的）和 5 个独立参数，就能描述整个宇宙的历史——从今天一路回溯到大爆炸后的一刹那。这 5 个独立参数为：普通物质、暗物质和暗能量各自的相对能量密度（我们会在后面的内容中详细说明），以及早期宇宙量子涨落的幅度和功率谱。他们用一个标准的宇宙学模型——Λ- 冷暗物质（Lambda Cold Dark Matter，Λ-CDM）模型，描述了数百个甚至可能是数千个观测数据点，这些数据覆盖的空间尺度从百万光年到百亿光年，到达了可见宇宙的边缘位置。不过，观测上的成功并不代表我们对宇宙的研究大功告成了。研究人员推测的这一宇宙演化版本，仍然有很多令人感到棘手的漏洞。我们遇到了有关宇宙本质的最根本问题，而且到目前为止，我们仍无法对这些问题做出解答。

01

我们并不理解这 5 个参数

让我们来想想宇宙中物质和能量的密度吧。哪怕只是数十年以前，天文学家都还相信，普通物质（元素周期表里的那些物质）是宇宙质量能量的主要形式。后来的宇宙学观测彻底颠覆了这个观念（这也带来了 3 个诺贝尔奖）。我们现在知道，在宇宙全部能量密度中，普通物质只占 5%，暗物质则占到了 25%。暗物质是一种未知的物质形式，科学家通过引力作用推测出了它们的存在。宇宙中剩下的 70% 是暗能量，普通物质的引力作用理应让宇宙的膨胀减慢，而暗能量这种神秘的东西却加速了宇宙的膨胀。暗物质和暗能量是什么？它们为何能占据 25% 和 70% 的宇宙成分？这些问题我们不得而知。如果我们能更好地理解大爆炸，也许就能知道这些问题的答案了。在一团由光和粒子组成的、温度高达 10 27 ℃的等离子体中，时间和空间突然创生。很难想象，在那样一种极端情况下创生的宇宙，居然会演化成我们今天所看到的这种情形——温度几乎处处相同，在大尺度上具有平直的空间曲率（在这样的空间曲率下，三角形的内角和是 180°）。暴胀可能是让我们理解宇宙大尺度结构的最好假说了。暴胀能“拉直”宇宙，抹平时空的弯曲部分，让宇宙的温度变得均匀。就像宇宙放大镜一样，暴胀也把宇宙初期微小的能量密度量子涨落放大到宇宙学尺度。这些涨落最终变成大尺度结构的种子，也就是星系、恒星、行星和包括我们在内的生命的种子。暴胀学说是一个被广泛接受的成功理论。数十年来，宇宙学家通过观测宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）来检验暴胀学说的各种预言。宇宙微波背景记录了早期宇宙的密度扰动情况。欧洲空间局（European Space Agency）的普朗克卫星最近的观测结果，证实了我们的宇宙是平直（或者非常接近平直）而且均匀的（各向异性不超过六万分之一）——这两点都是暴胀学说的重要预言。此外，人们认为原初物质涨落是暴胀将量子涨落放大得来的，卫星观测到的原初物质的涨落功率谱和幅度，与理论预期符合得非常好。

02

我们并没有真正理解暴胀

我们可能会问：是什么驱动了暴胀的发生？如何提供这么大的能量？在我们的想象中，在大爆炸结束后极短的时间内，宇宙充满了能量，这些能量以一种假想粒子——“暴胀子”（inflaton）——的形式存在。最近，科学家在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上发现的希格斯粒子（Higgs Particle），与“暴胀子”这一假想粒子有很多相似的性质，可能是“暴胀子”的候选者之一。

“暴胀子”不仅能解释宇宙早期的加速膨胀，也能解释如今的宇宙结构，因为在早期宇宙中，“暴胀子”场能量的微小量子涨落，是唯一能导致显著的能量密度差异的机制。不过，“暴胀子”并不能解决我们的问题，它只是把问题又向前推进了一步。我们不知道“暴胀子”的性质，不知道它从何而来以及如何找到它，我们甚至不确定它是否真的存在。此外，物理学家不知道暴胀是如何自然地停止的 , 这就是所谓的“优雅退场疑难”（Graceful Exit Problem）。

如果一种能量场驱动了宇宙以指数级膨胀，那么，是什么让这个能量场突然“关闭”呢？同时，在 Λ-CDM 模型中的 5 个宇宙学参数，其中一些参数必须被精确地调整到当前数值，否则我们观测到的宇宙会面目全非，但对于这 5 个参数的起源，我们也没有一个令人信服的解释。并且，对于暴胀发生之前的宇宙——宇宙诞生的最初 10 -36 秒内，我们也没有一个确定的描述。

03

我们不理解大爆炸是如何开始的

宇宙学领域的最大挑战是，如何理解大爆炸本身的性质：在一个密度无穷大的点——奇点（Singularity），一切时间、空间、物质突然剧烈地喷薄而出。

奇点是一个令人难以理解的“怪物”，时间和空间蜷曲于其中，在那里根本无法分辨过去和未来，一切物理定律也都失效。奇点是一个没有秩序、没有规则的宇宙。从奇点中跳出任何东西，在逻辑上都是成立的。但从奇点中跳出来一个像我们看到的宇宙一样有秩序的宇宙，是不太可能发生的。我们能够想象的情形是，从奇点中有可能跳出一个高度混乱的宇宙，那个宇宙的特点是，温度有剧烈的空间涨落，也就是说，在宇宙空间中，不同点的温度有着巨大的差异。

而且，那个宇宙里的暴胀可能不能将这些涨落抹平。事实上，如果温度的涨落太大的话，暴胀可能都没有机会发生。因此，奇点的问题不能全靠暴胀来解决。奇点虽然奇怪，但并非极其罕见，我们在另一个地方——黑洞的中心，也能瞥见其魅影。黑洞是巨星塌缩的遗骸。所有的恒星都是核聚变反应炉，在那里，轻元素（主要是氢）聚合成重元素。核聚变过程提供了恒星一生的大部分能量。不过最终，核燃料耗尽，引力开始起主宰作用。在引力作用下，一颗比太阳至少重 10 倍的恒星会发生塌缩，然后引爆超新星爆发。如果恒星再大一些，达到 15~20 个太阳质量或者更大的质量，超新星爆发结束后会留下一个致密的核心，这个核心会失控地塌缩，形成黑洞。

黑洞是一片连光线都无法逃脱的空间区域，而光速是任何形式的物质可以达到的速度上限，因此任何物质只要跨过了黑洞的边界——一个被称为事件视界（Event Horizon）的二维面，便有去无回。一旦恒星物质或是其他什么东西落入了这个边界，它们与宇宙中的其他部分也就切断了联系，会被无情地拉向黑洞中心的奇点。正如在宇宙大爆炸起点物理定律会失效，在黑洞的奇点处，已知的物理规律也同样不再适用。与大爆炸不同的是，黑洞的奇点被视界包围着。视界的作用就像是一层坚固的包装纸，防止任何奇点信息泄漏出去。黑洞的视界挡住了黑洞外部的观察者，使他们无法观察到奇点的那些不可思议的性质［这就是所谓的宇宙监督（Cosmic Censorship）假设］。

奇点被视界包裹，这一点十分重要，它使我们能够用熟悉的物理定律来描述和预测我们所能观测到的世界。对于一个远处的观察者而言，黑洞具有简单、光滑、均匀的时空结构，因此仅仅用质量、角动量以及电荷就可以充分描述了。物理学家把这戏称为“黑洞没有毛”——除了质量、角动量和电荷之外，就没有可以区分不同黑洞的细节了。与黑洞中的奇点相反，大家普遍认为，大爆炸的奇点没有被包裹，它没有事件视界。我们也希望有一种方法，比如存在某种类似视界的东西，能够把这个令人不舒服的奇点与我们隔离开。我们的理论正是提供了这样一个方法，在这个理论中，宇宙大爆炸其实是一个幻景。我们的理论可以将大爆炸的奇点包裹起来，正如事件视界将黑洞奇点包裹起来一样。这样我们就避开了可怕的大爆炸奇点。

当然，即便我们的全息论大爆炸理论解决了最大的问题（我们宇宙的起源），它也会带来一系列的新问题，其中最大的一个问题就是我们宇宙的母宇宙从何而来？

为了回答这个问题，我们也许要再一次从柏拉图那里找寻灵感。当柏拉图寓言中的囚徒走出洞穴时，太阳会灼伤他们的眼睛，他们需要时间来适应洞外明亮的世界。起初，囚徒们只能辨认出影子，不久他们就能够看到月亮和星星。最终，他们会得出结论，太阳是“我们所看到的一切事物的创始人”——白天、黑夜、四季和影子。柏拉图故事中的囚徒们无法理解太阳背后的力量，正如我们无法理解四维体宇宙一样。不过，我们至少已经知道，该去哪里寻找答案了。