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宇宙大爆炸是一个黑洞吗?科学家给出了自己的答案看完恍然大悟

2019-09-12 05:16 来源:未知

  有时人们难以理解为什么宇宙大爆炸不是黑洞。无论如何,在大爆炸初的一瞬间,物质的密度远大于现有的任何一颗恒星,高密度的物质将会强烈地扭曲时空。在一定的密度下,在希瓦兹凯尔德半径内将有足够质量的物质形成黑洞。然而,大爆炸却没有陷入自身形成的黑洞中,而且矛盾的是,在奇点附近的空间是平坦的,并没有被强烈扭曲。这是为何?

  简单来说,是大爆炸初期飞速地膨胀而避免了陷入黑洞,而且膨胀的速度正在减慢。在时空不平坦时,空间自身可以是平坦的。时空的扭曲可能仅由于其中的时间部分而造成,而时间是描述宇宙膨胀的量之一。因此,总的时空扭曲是由物质的密度造成,但其中也有空间扭曲的贡献,正如宇宙的膨胀。希瓦兹凯尔德的重力公式的静态解释展示了一个静态球体在坍缩成为黑洞前必须达到的极限。但希瓦兹凯尔德极限并不适用于迅速膨胀的物质。

  常见的大爆炸模型是Friedmann-Robertson-Walker (FRW)对广义相对论中重力场公式的解释。这些模型可以用来描述开放或关闭的宇宙。所有FRW描述的模型中的起始都有一个表示大爆炸奇点。黑洞同样有奇点,另外,关闭的宇宙中,没有光可以逃逸,这也正是黑洞的定义。那么黑洞和大爆炸的不同点在哪里呢?

  第一个明显的不同是FRW模型中的大爆炸奇点存在于过去所发生的事件中,而黑洞奇点存在于未来。因此大爆炸更像是一个‘白洞’:倒播版本的黑洞。根据经典广义相对论,白洞应是不存在的,因为它们就像黑洞不可被破坏一样是不可被生成的。但这也许不适用于白洞自始一直存在的情形。

  但标准的FRW大爆炸模型与白洞也是不同的。白洞具有一个和黑洞相反的事件穹界。任何物质不能进入这一穹界,棒球衫品牌正如任何物质无法逃出黑洞的事件穹界。简单来说,这是白洞的定义。注意FRW模型可以比较明显地与黑洞或白洞模型,如静态的希瓦兹凯尔德模型和旋转的克尔模型区分开,但它较难和通俗的黑洞或白洞模型区别。主要的区别是FRW模型中的事件穹界与黑洞或白洞的定义不同。在白洞的事件穹界之外的世界线可以向过去永久延申且不接触奇点,但FRW的宇宙理论中所有的世界线都从奇点发出。

  在前面的文章中我一直谨慎地讨论,标准的FRW大爆炸模型与黑洞或白洞有所不同。但真实的宇宙可能与FRW宇宙不同,至此,我们可以消除它是一个黑洞或白洞的可能性了吗?我不会继续进一步讨论如奇点是否真实存在的问题,我将会假设广义相对论是正确的。

  在之前对于大爆炸是一个黑洞的争论依然存在。黑洞的奇点存在于未来,但至今对宇宙的观测显然证实了大爆炸是过去发生的。所以大爆炸是一个白洞的可能性依然存在。

  FRW宇宙论中的主要假设是宇宙是宏观均匀且各项同性的。也就是说,在一定时间从任何位置向任何方向观察宇宙都是宏观一致的。这一点从宇宙中数亿光年内的星系的分布非常均匀且各向同性可以得到证明。各项同性的宇宙背景辐射也是是宇宙均匀性的强大证实,但我们对宇宙的可观测范围被光速和宇宙的年龄所限制。我们可以观测到的范围大约为100-200亿光年,大约是星系分布结构的100倍。

  宇宙的分布均匀性一直是一个被争论的话题。棒球衫品牌宇宙的大小可能是我们所能观测到的范围的数倍,当然也可能是无限大的。天文学家马丁·里斯形容我们对宇宙的观测就像是从大海中航行的船上能向四周观测的范围。当我们的视野超越近处波浪时,我们看到的是没有多少细节的,无限延伸的海面。

  在船上所看到的地平线只有几英里远,但大海却向四周延伸出至少几百英里。在地球上,即使我们以最先进的望远镜看向宇宙,我们的视野也会被限制在有限的范围之内。不论视野内的观测结果如何,我们都不能假设同样的结果一定会延伸到我们的视野之外。因此宇宙的均匀性在我们观测范围之外的浩瀚空间中并不是一定的。我们也许可以从逻辑上推测它的存在,但还无法证实。

  所以,我们必须提问,是否有一个像FRW模型符合观测那样准确的宇宙白洞模型?人们一开始认为这个问题的答案是否定的,因为白洞(像黑洞那样)会形成对不同方向拉伸和压缩的潮汐力。因此它们与我们所观测到的结果都不同。但这不能作为定论,因为这只对不存在物质时的黑洞的时空成立。在恒星内部,潮汐力可以不存在。

  一种符合宇宙观测的白洞的模型是对于恒星坍缩而形成黑洞的过程的反向进行。一个比较准确的简化是我们可以忽略压力,将恒星看作一团除重力外不具有内力球形尘云。恒星的坍缩已经有了大量的研究,在1939年斯奈德和奥本海默发表的研究明确地解释了这一简化的情形。在没有压力时,恒星的坍缩可以被精确地以FRW解释描述其内部,以希瓦兹凯尔德解释描述其外部。恒星内部的时空在坍缩期间保持均匀和各向同性的状态。

  接下来的问题是,如果上述的尘云星球大于我们所能观测到的宇宙的范围,这一反向坍缩的星球的模型并不能与FRW模型区分。换句话说,我们并不能完全消除宇宙是一个巨大的白洞的可能,直到数十亿年后我们可以观测到宇宙的边界的情形。

  我们必须认识到如果去掉对于宇宙均匀性和各向同性的假设,将会有很多不同的、甚至奇怪的宇宙模型存在。这使得对宇宙推断出确切的结论变得非常困难,但这从未成为阻止一些勇于想象的天文学家思考的理由。其中最令人兴奋的模型是C. Hellaby 在1987年提出的,他设想宇宙中由大量分别爆炸的,但最终融合成为一体的白洞形成。这一猜想仅由广义相对论中的一条公式即可推导。

  这里将是对这一问题的最后一次讨论。斯蒂文霍金认为量子理论的引入将使得白洞和黑洞的区别变得不那么明显。这是由于在‘霍金辐射’的机制中,黑洞将会失去物质。(相对论FAQ中霍金辐射的章节有描述。)一个在周边辐射中保持着热量守恒的黑洞可能在时间中是对称的,即它与白洞是相同的。这一理论至今仍有争议,但一旦成立,将意味着宇宙既是黑洞也是白洞。也许事实将会更加奇怪,但谁知道结果呢?返回搜狐,查看更多

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