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大爆炸初期物质密度极高,为啥宇宙没有坍缩成黑洞?

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匿名
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匿名  发表于 2019-10-17 09:57 回帖奖励 |正序浏览 |阅读模式

大爆炸初期物质密度极高,为啥宇宙没有坍缩成黑洞?





  上帝不光玩骰子,还把它们丢到了看不见的地方。——斯蒂芬·霍金

  今天要说一个既深刻又有趣的问题,先说一段话:宇宙诞生于一个炽热、稠密、体积很小的初始状态!这段话不陌生吧,翻来覆去说了很多遍,这就是描述宇宙热大爆炸的开始阶段。那么听到这段话大家有没有想到一个问题:宇宙开始于密度极高的物质区域,为啥没有坍缩成一颗黑洞?

  

  如果你觉得这不是一个问题,或者认为宇宙一开始怎么能塌缩成黑洞呢?那么请考虑以下事实。从基本原理出发,在我们的宇宙中,物理定律在任何时候、任何地方不仅存在而且有效。质子、中子、电子、中微子包括目前还没有发现的暗物质粒子,都具有质量可以弯曲时空,其初始密度比史瓦西极限要高很多,因此宇宙很有可能会在引力的作用下坍缩。你觉得呢?

  但是我们的宇宙并没有塌缩成一颗黑洞,这说明在宇宙一定还发生了其他有趣的事情!那么让我们回到100年前,我们最成功的引力理论广义相对论诞生的时候。牛顿引力理论的兴衰

  

  在爱因斯坦之前,普遍接受的引力理论是牛顿万有引力定律。牛顿的理论描述了当时人们已知的所有引力现象,从地球上质量的加速度到围绕着行星的卫星轨道,再到围绕太阳运行的行星轨道。物体相互施加大小相等、方向相反的引力,物体的加速度与质量成反比,并且这个力服从平方反比定律。到20世纪初,牛顿的引力理论貌似经受住了所有的考验,没有一个例外。

  

  但是随着时间的推移,人们也发现了牛顿引力有些瑕疵;对于更加注重细节的人来说,有两个问题:在非常快的速度下也就是接近光速的速度下,牛顿关于绝对空间和绝对时间的概念不再成立。放射性粒子的寿命变长或者飞行距离缩短(例如:μ介子出现在地球表面),而“质量”似乎并不是引力的基本来源,而是能量(质量只是能量的一种形式)。最强大的引力场中,牛顿对物体引力行为的预测与我们所观察到的略有出入(例如无法解释的水星轨道进动问题,牛顿预测每世纪=5,557.62角秒,而实际观测值为 =5,600.73角秒)。这就好像,靠近一个非常巨大的引力源时,会有一个额外的力,这个力牛顿无法解释。

  在此之后,有两个新的理论发展为爱因斯斯坦取代牛顿引力理论铺平了道路。广义相对论的一个简单解:施瓦西度量

  

  第一个主要的理论是空间和时间的融合,以前被视为一个独立的三维空间和一个线性的时间量,被统一在一个数学框架中,创造了一个四维的“时空”。四维时空是由赫尔曼·闵可夫斯基在1907年完成的:

  “我想在你们面前阐述的时空观,是从实验物理学的土壤中萌生出来的。从此以后,空间本身,时间本身,注定要消逝在虚无缥缈的幻影里,只有两者的结合才能保持独立的现实。

  虽然这只适用于平坦的欧几里得空间,但这个想法在数学上直接导致了狭义相对论的所有定律的诞生。当我们把时空的概念应用到水星轨道的问题上时,新框架下的牛顿预测更接近于观测值,但仍有不足之处。

  

  第二个发展来自爱因斯坦本人,他认为时空是弯曲的。决定时空弯曲的正是所有形式的能量,包括质量在内。闵可夫斯基的时空对应于一个空宇宙,或一个没有任何能量或物质的宇宙。

  

  爱因斯坦认为在宇宙中,能量或质量能弯曲时空,能量的大小也决定了空间的曲率,而其他小质量物体则沿弯曲时空的测地线运行。广义相对论在大距离上可以简化为牛顿理论,但在更近的距离上(强引力下)广义相对论能给出了更精准的预测和结果。

  广义相对论给出的结果不仅与牛顿引力无法预测的水星轨道观测结果一致,而且还对全日食期间可见的星光偏转做出了新的预测,这个预测后来在1919年的日食期间得到了证实。

  

  在爱因斯坦广义相对论发表的几周后,广义相对论方程另外一个惊人的解出现了。卡尔·施瓦西(Karl Schwarzschild)进一步研究了具有任意大小质量、球状物质分布的细节,施瓦西的发现非常惊人:在长距离、远引力场的极限下广义相对论的解可以简化为牛顿引力的结果。在一个特定的距离上(施瓦西半径R = 2MG/v^2),一个质量天体会塌缩成一个黑洞,在黑洞周围有一个任何东西都无法逃离的点:视界面。在视界面内,所有进入的物体都会向中心奇点坍塌,这是爱因斯坦理论的必然结果。物质的初始速度为零且不与自身相互作用的任何初始形态,无论其形状或密度分布如何,只要质量只够大都将不可避免地坍塌成静止的黑洞。

  史瓦西度量是迄今为止发现的第一个完整的广义相对论解。

  

  在了解了广义相对论和施瓦西度量的背景,现在让我们看一下今天问题的核心:那炽热、稠密、早期的宇宙呢?在那里,目前散布在920亿光年空间里的所有物质和能量,都包含在一个甚至没有我们太阳系大的空间里。在广义相对论控制下的宇宙,在大爆炸后可能出现的三种结果

  

  我们需要知道的是,就像闵可夫斯基的时空一样,史瓦西的解是静态的,这意味着空间的度量不会随着时间的推移而变化。还有很多其他的解决方案,比如反德西特空间,还有弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规,用来描述膨胀或收缩的时空。(记住前面那段话就行)

  

  如果我们从大爆炸早期宇宙的物质和能量出发,空间并没有快速膨胀,而是一个静态的宇宙,并且任何物质粒子之间也没有辐射压力或速度为零,所有这些能量会在极短的时间内形成史瓦西黑洞(几乎是瞬间)。

  但是广义相对论还告诉我们:物质和能量的存在不仅决定了时空的曲率,而且空间中一切事物的性质和演化也决定了时空本身的演化!

  

  我们知道,从大爆炸的那一刻起,我们的宇宙似乎只有三种可能的选择,这取决于宇宙内部的物质和能量密度以及初始膨胀率:宇宙的初始膨胀率对于其内部的物质和能量密度来说不够大,这意味着宇宙会膨胀一段时间(很短的时间),达到最大的尺寸,然后物质和能量会将宇宙在拉回来。说宇宙会坍缩成黑洞是不正确的,因为空间本身会连同所有的物质和能量一起坍缩,产生一个奇点,称为大坍缩。宇宙初始膨胀率太大,远远超出了宇宙中物质和能量密度所提供的引力。在这种情况下,所有的物质和能量会以一种万有引力无法将所有的宇宙成分重新聚集在一起的速度被快速分开,而且对于大多数宇宙模型来说,这会导致宇宙膨胀得太快,以至于宇宙永远无法形成星系、行星、恒星,甚至原子或原子核!如果宇宙的膨胀速度超过了空间所包含的物质和能量的总量,那么宇宙将会膨胀成一个荒凉、寂静、寒冷、空虚的宇宙。最后一种情况就是,初始膨胀率几乎和宇宙中物质和能量的密度相等,完美刚刚好!即宇宙如果再多一个质子就会处于大坍缩状态,如果再少一个质子,宇宙就会膨胀到死寂!宇宙只是渐近于一种平衡的状态,在这种状态下,膨胀率会逐渐缓慢的下降到零,但从来不会完全反转发生大坍缩。能量密度和膨胀率的的精准匹配,才让我们拥有了现在看到的宇宙

  事实证明,我们几乎生活在第三种情况下,只有一点点的暗能量被扔进了混合物中,使得膨胀率稍微大了一点,这意味着最终所有没有被引力束缚在一起的物质将被宇宙膨胀推入深空的万丈深渊。

  

  为了使宇宙的膨胀率和物质与能量密度匹配得如此之好,宇宙需要进行大量的微调,这样宇宙既不会立即重新聚合,也不会无法形成物质的基本组成成分!这有点像取两个人,数一数他们体内的电子数,发现他们与一个电子内的电子数相同,宇宙就达到了这么精准的微调!事实上,如果我们回到宇宙只有一纳秒(大爆炸之后)的时代,我们就可以量化物质、能量的密度和膨胀率的细微变化。

  

  能量物质密度和膨胀率的细微变化,这恰恰描述了我们现在所拥有的宇宙,它没有立刻坍塌,也没有迅速膨胀无法形成复杂的结构,而是产生了我们今天宇宙所拥有的所有奇妙的结构形态,包括核子、原子、分子、细胞、行星、恒星、星系和星系群。

  总的一句话,宇宙为何没有在大爆炸初坍缩成黑洞,这是因为我们处在一个能量密度和膨胀率几乎平衡的宇宙!不同时段的能量密度既能保证物质结构的形成,也不至于让宇宙重新坍缩!

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