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我们所认知的宇宙有没有可能本身就是一个黑洞?
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2023.06.24 湖南

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Mandelbrot 互联网与产品经理 2019-10-31 21:07

我们所在的宇宙空间实际上是一个黑洞的内部,这是黑洞宇宙模型(black hole cosmology)的观点。目前主流的宇宙学模型是大爆炸理论,此外还有很多非主流的宇宙学模型。黑洞宇宙模型就是其中之一。

为什么宇宙在黑洞内部?

这个问题要从宇宙膨胀开始说起。

我们知道,宇宙在加速膨胀。这里膨胀的含义是,新的空间从每一处空间中产生。它导致的结果是,宇宙中的物体都在相互远离。然而,比较近的物体会被引力或电磁力拉在一起,距离不会增加空间膨胀的效果,只有在距离十分遥远的星系之间才能看出来。

在上面的例子中,由于空间膨胀,猫-老鼠之间的距离和猫-狗的距离都增加了,但是,猫-狗距离增加明显比猫-老鼠距离增加要大得多。由于空间膨胀的叠加效果,距离越远的物体,它们之间距离增加也越大。也就是说,距离我们越远的物体,远离我们的速度也就越快。由此我们不难想象,距离我们足够远的星系,远离我们的物体会达到光速这个距离被称为哈勃半径(Hubble Radius)。而在哈勃半径以外的星系,远离我们的速度超过光速。

在黑洞宇宙模型中,哈勃半径也就是我们宇宙所在黑洞的史瓦西半径。

如果我们把一个物体压缩到史瓦西半径(的球体)以下,这个球体表面的逃逸速度就会达到光速。也就是说,这个球体就成为了一个黑洞。

史瓦西半径的计算公式十分简单:

其中G是万有引力常数,M是物体的质量,c是光速。

那么,如果我们把哈勃半径以内的所有物质压缩成一个黑洞,它的史瓦西半径会有多大呢?如果把已知的宇宙质量(由观测的宇宙密度计算)代入上面的公式,得到的史瓦西半径和哈勃半径十分接近。考虑到观测的精度和误差,可以认为这两个值是相等的。也就是说,我们所在的宇宙空间,已经是一个黑洞了。

宇宙的密度很低,相当于地球这么大体积内,平均只有一粒沙的质量物质如此稀疏的宇宙空间能形成黑洞,可能对很多人来说很不可思议。黑洞的给人的印象是往往是密度很大——如果把太阳压缩成一个黑洞,它的史瓦西半径只有3公里,而地球黑洞的史瓦西半径还不到1厘米。

从上面的公式可以看到,史瓦西半径和质量成正比,而物体的半径和质量的立方根成正比(如果密度不变)。所以,当物体质量增加的时候,史瓦西半径比物体本身的半径增长的快。一个质量很大的物体,它的史瓦西半径会达到甚至超过物体自己的半径。

然而,多数宇宙学家并不认同这个证据。他们认为,史瓦西半径和哈勃半径十分接近,只是一个巧合。

黑洞内的宇宙

对黑洞的传统认识是,当物体落入黑洞,就会继续向黑洞中心坠落,最后落进黑洞中心的奇点——一个密度无穷大,体积无穷小的点。

但是,这并不是唯一可能存在的黑洞结构。

黑洞强大的引力使得时空极度弯曲,造成了一个与外面隔离的封闭时空。在这样一个封闭的空间中,如果物质大致均匀分布,广义相对论允许它保持一个稳定的内部结构,而不至于坍塌成一个奇点。那么,在没有外部物质和能量影响的情况下,黑洞宇宙是一个静态宇宙。当黑洞宇宙吸入外部物质时,由于质量增加,它的体积也随之增加,从黑洞宇宙内部来看,表现为宇宙空间的膨胀所以,在黑洞宇宙模型中,对宇宙膨胀的解释不需要暗能量的概念。

一个黑洞宇宙通常是从一个恒星级黑洞开始的。它的内部是一个奇点还是一个婴儿宇宙,对于外部观察者来说都是一样的。当它吸收外部宇宙(母宇宙)的物质和辐射后,就会慢慢长大。在一个星系中,恒星走到生命尽头时,会变成白矮星,中子星,或者黑洞。最终,它们汇聚在星系中心,形成超过10亿太阳质量的超级黑洞。而这种黑洞的内部,就是像我们的宇宙一样的另一个宇宙。

恒星级黑洞诞生于超新星爆炸,所以它的内部温度极高(高于中子星的温度),但是它并不向外辐射能量。当黑洞宇宙膨胀,由于能量分散,温度逐渐降低。当一个黑洞宇宙膨胀到我们的宇宙大小时,温度已经下降到3K。这就是我们观察到的微波背景辐射

黑洞宇宙的膨胀速度取决于吸入物质的数量。我们的宇宙边界膨胀速度达到光速,这意味着它需要每秒吸入10000个太阳质量的物质。

对于一些质量比较小的黑洞(如超新星爆炸留下的恒星级黑洞)来说,它们周围的时空曲率变化很大,物质在进入黑洞时会被撕裂成碎片。而质量很大的黑洞(如星系中心的超级黑洞)被称为“温柔的黑洞”,物质可以完好无损的穿过视界,进入黑洞——来到另一个宇宙。

黑洞宇宙模型

黑洞宇宙模型是一个多层次的等级结构。我们的宇宙在一个更大的宇宙(母宇宙)中;母宇宙中的其他宇宙是我们宇宙的姐妹宇宙我们宇宙中的黑洞(恒星级黑洞和超级黑洞)都包含子宇宙同样,我们的姐妹宇宙中也有它们自己的子宇宙而母宇宙外面是更大的祖母宇宙

这个模型一共有多少层取决于整个空间的大小。如果整个空间是无限大的,那么宇宙层次的数目也是无限的;反之,则是有限的。

在黑洞宇宙膨胀的过程中,可能和姐妹宇宙相遇,从而合并成更大的宇宙。

以上是对黑洞宇宙模型的简单介绍。它是和大爆炸理论不同的另一种宇宙学模型,对于天文观测中的很多现象,如空间膨胀,微波背景辐射,也有不一样的解释。这种理论目前被认为是一种”类宇宙学“(alternative cosmology),没有得到多数宇宙学家的认同。然而,从20世纪70年代到现在,仍然有部分宇宙学家在从事这个理论的研究。

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