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大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?

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樓主
online_member 發表于 2019-10-18 21:23:17 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

上帝不光玩骰子,還把它們丟到了看不見的地方。——斯蒂芬·史蒂芬霍金

今天要說一個既深刻又有趣的問題,先說一段話:宇宙誕生于一個熾熱、稠密、體積很小的初始狀態!這段話不陌生吧,翻來覆去說了很多遍,這就是描述宇宙熱大爆炸的開始階段。那么聽到這段話大家有沒有想到一個問題:宇宙開始于密度極高的物質區域,為啥沒有坍縮成一顆黑洞?
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?45 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

如果你覺得這不是一個問題,或者認為宇宙一開始怎么能塌縮成黑洞呢?那么請考慮以下事實。從基本原理出發,在我們的宇宙中,物理定律在任何時候、任何地方不僅存在而且有效。質子、中子、電子、中微子包括目前還沒有發現的暗物質粒子,都具有質量可以彎曲時空,其初始密度比史瓦西極限要高很多,因此宇宙很有可能會在引力的作用下坍縮。你覺得呢?

但是我們的宇宙并沒有塌縮成一顆黑洞,這說明在宇宙一定還發生了其他有趣的事情!那么讓我們回到100年前,我們最成功的引力理論廣義相對論誕生的時候。

牛頓引力理論的興衰

大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?18 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

在愛因斯坦之前,普遍接受的引力理論是牛頓萬有引力定律。牛頓的理論描述了當時人們已知的所有引力現象,從地球上質量的加速度到圍繞著行星的衛星軌道,再到圍繞太陽運行的行星軌道。物體相互施加大小相等、方向相反的引力,物體的加速度與質量成反比,并且這個力服從平方反比定律。到20世紀初,牛頓的引力理論貌似經受住了所有的考驗,沒有一個例外。
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?73 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

但是隨著時間的推移,人們也發現了牛頓引力有些瑕疵;對于更加注重細節的人來說,有兩個問題:
    在非常快的速度下也就是接近光速的速度下,牛頓關于絕對空間和絕對時間的概念不再成立。放射性粒子的壽命變長或者飛行距離縮短(例如:μ介子出現在地球表面),而“質量”似乎并不是引力的基本來源,而是能量(質量只是能量的一種形式)。最強大的引力場中,牛頓對物體引力行為的預測與我們所觀察到的略有出入(例如無法解釋的水星軌道進動問題,牛頓預測每世紀=5,557.62角秒,而實際觀測值為 =5,600.73角秒)。這就好像,靠近一個非常巨大的引力源時,會有一個額外的力,這個力牛頓無法解釋。

在此之后,有兩個新的理論發展為愛因斯斯坦取代牛頓引力理論鋪平了道路。

廣義相對論的一個簡單解:施瓦西度量

大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?57 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

第一個主要的理論是空間和時間的融合,以前被視為一個獨立的三維空間和一個線性的時間量,被統一在一個數學框架中,創造了一個四維的“時空”。四維時空是由赫爾曼·閔可夫斯基在1907年完成的:

“我想在你們面前闡述的時空觀,是從實驗物理學的土壤中萌生出來的。從此以后,空間本身,時間本身,注定要消逝在虛無縹緲的幻影里,只有兩者的結合才能保持獨立的現實。

雖然這只適用于平坦的歐幾里得空間,但這個想法在數學上直接導致了狹義相對論的所有定律的誕生。當我們把時空的概念應用到水星軌道的問題上時,新框架下的牛頓預測更接近于觀測值,但仍有不足之處。
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?28 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

第二個發展來自愛因斯坦本人,他認為時空是彎曲的。決定時空彎曲的正是所有形式的能量,包括質量在內。閔可夫斯基的時空對應于一個空宇宙,或一個沒有任何能量或物質的宇宙。
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?96 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

愛因斯坦認為在宇宙中,能量或質量能彎曲時空,能量的大小也決定了空間的曲率,而其他小質量物體則沿彎曲時空的測地線運行。廣義相對論在大距離上可以簡化為牛頓理論,但在更近的距離上(強引力下)廣義相對論能給出了更精準的預測和結果。

廣義相對論給出的結果不僅與牛頓引力無法預測的水星軌道觀測結果一致,而且還對全日食期間可見的星光偏轉做出了新的預測,這個預測后來在1919年的日食期間得到了證實。
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?48 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

在愛因斯坦廣義相對論發表的幾周后,廣義相對論方程另外一個驚人的解出現了。卡爾·施瓦西(Karl Schwarzschild)進一步研究了具有任意大小質量、球狀物質分布的細節,施瓦西的發現非常驚人:
    在長距離、遠引力場的極限下廣義相對論的解可以簡化為牛頓引力的結果。在一個特定的距離上(施瓦西半徑R = 2MG/v^2),一個質量天體會塌縮成一個黑洞,在黑洞周圍有一個任何東西都無法逃離的點:視界面。在視界面內,所有進入的物體都會向中心奇點坍塌,這是愛因斯坦理論的必然結果。物質的初始速度為零且不與自身相互作用的任何初始形態,無論其形狀或密度分布如何,只要質量只夠大都將不可避免地坍塌成靜止的黑洞。

史瓦西度量是迄今為止發現的第一個完整的廣義相對論解。
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?97 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

在了解了廣義相對論和施瓦西度量的背景,現在讓我們看一下今天問題的核心:那熾熱、稠密、早期的宇宙呢?在那里,目前散布在920億光年空間里的所有物質和能量,都包含在一個甚至沒有我們太陽系大的空間里。

在廣義相對論控制下的宇宙,在大爆炸后可能出現的三種結果

大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?63 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

我們需要知道的是,就像閔可夫斯基的時空一樣,史瓦西的解是靜態的,這意味著空間的度量不會隨著時間的推移而變化。還有很多其他的解決方案,比如反德西特空間,還有弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規,用來描述膨脹或收縮的時空。(記住前面那段話就行)
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?75 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

如果我們從大爆炸早期宇宙的物質和能量出發,空間并沒有快速膨脹,而是一個靜態的宇宙,并且任何物質粒子之間也沒有輻射壓力或速度為零,所有這些能量會在極短的時間內形成史瓦西黑洞(幾乎是瞬間)。

但是廣義相對論還告訴我們:物質和能量的存在不僅決定了時空的曲率,而且空間中一切事物的性質和演化也決定了時空本身的演化!
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?6 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

我們知道,從大爆炸的那一刻起,我們的宇宙似乎只有三種可能的選擇,這取決于宇宙內部的物質和能量密度以及初始膨脹率:
    宇宙的初始膨脹率對于其內部的物質和能量密度來說不夠大,這意味著宇宙會膨脹一段時間(很短的時間),達到最大的尺寸,然后物質和能量會將宇宙在拉回來。說宇宙會坍縮成黑洞是不正確的,因為空間本身會連同所有的物質和能量一起坍縮,產生一個奇點,稱為大坍縮。宇宙初始膨脹率太大,遠遠超出了宇宙中物質和能量密度所提供的引力。在這種情況下,所有的物質和能量會以一種萬有引力無法將所有的宇宙成分重新聚集在一起的速度被快速分開,而且對于大多數宇宙模型來說,這會導致宇宙膨脹得太快,以至于宇宙永遠無法形成星系、行星、恒星,甚至原子或原子核!如果宇宙的膨脹速度超過了空間所包含的物質和能量的總量,那么宇宙將會膨脹成一個荒涼、寂靜、寒冷、空虛的宇宙。最后一種情況就是,初始膨脹率幾乎和宇宙中物質和能量的密度相等,完美剛剛好!即宇宙如果再多一個質子就會處于大坍縮狀態,如果再少一個質子,宇宙就會膨脹到死寂!宇宙只是漸近于一種平衡的狀態,在這種狀態下,膨脹率會逐漸緩慢的下降到零,但從來不會完全反轉發生大坍縮。

能量密度和膨脹率的的精準匹配,才讓我們擁有了現在看到的宇宙

事實證明,我們幾乎生活在第三種情況下,只有一點點的暗能量被扔進了混合物中,使得膨脹率稍微大了一點,這意味著最終所有沒有被引力束縛在一起的物質將被宇宙膨脹推入深空的萬丈深淵。
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?51 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

為了使宇宙的膨脹率和物質與能量密度匹配得如此之好,宇宙需要進行大量的微調,這樣宇宙既不會立即重新聚合,也不會無法形成物質的基本組成成分!這有點像取兩個人,數一數他們體內的電子數,發現他們與一個電子內的電子數相同,宇宙就達到了這么精準的微調!事實上,如果我們回到宇宙只有一納秒(大爆炸之后)的時代,我們就可以量化物質、能量的密度和膨脹率的細微變化。
大爆炸初期的宇宙為什么沒有變成黑洞?50 / 作者:JaStE / 帖子ID:54632,214902

能量物質密度和膨脹率的細微變化,這恰恰描述了我們現在所擁有的宇宙,它沒有立刻坍塌,也沒有迅速膨脹無法形成復雜的結構,而是產生了我們今天宇宙所擁有的所有奇妙的結構形態,包括核子、原子、分子、細胞、行星、恒星、星系和星系群。

總的一句話,宇宙為何沒有在大爆炸初坍縮成黑洞,這是因為我們處在一個能量密度和膨脹率幾乎平衡的宇宙!不同時段的能量密度既能保證物質結構的形成,也不至于讓宇宙重新坍縮!


原文地址:今日頭條
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沙發
online_member 發表于 2019-10-18 21:24:07 | 只看該作者
也許空間坍塌到一定的地步,就會斷裂,然后黑洞就會爆炸,形成新的宇宙或星系
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