我們所在的宇宙空間實際上是一個黑洞的內部,這是黑洞宇宙模型(black hole cosmology)的觀點。目前主流的宇宙學模型是大爆炸理論,此外還有很多非主流的宇宙學模型。黑洞宇宙模型就是其中之一。
1. 為什么宇宙在黑洞內部?
這個問題要從宇宙膨脹開始說起。
我們知道,宇宙在加速膨脹。這里膨脹的含義是,新的空間從每一處空間中產生。它導致的結果是,宇宙中的物體都在相互遠離。然而,比較近的物體會被引力或電磁力拉在一起,距離不會增加。空間膨脹的效果,只有在距離十分遙遠的星系之間才能看出來。
在上面的例子中,由于空間膨脹,貓-老鼠之間的距離和貓-狗的距離都增加了,但是,貓-狗距離增加明顯比貓-老鼠距離增加要大得多。由于空間膨脹的疊加效果,距離越遠的物體,它們之間距離增加也越大。也就是說,距離我們越遠的物體,遠離我們的速度也就越快。
由此我們不難想象,距離我們足夠遠的星系,遠離我們的物體會達到光速。這個距離被稱為哈勃半徑(Hubble Radius)。而在哈勃半徑以外的星系,遠離我們的速度超過光速。
在黑洞宇宙模型中,哈勃半徑也就是我們宇宙所在黑洞的史瓦西半徑。如果我們把一個物體壓縮到史瓦西半徑(的球體)以下,這個球體表面的逃逸速度就會達到光速。也就是說,這個球體就成為了一個黑洞。
史瓦西半徑的計算公式十分簡單:
其中G是萬有引力常數,M是物體的質量,c是光速。
那么,如果我們把哈勃半徑以內的所有物質壓縮成一個黑洞,它的史瓦西半徑會有多大呢?如果把已知的宇宙質量(由觀測的宇宙密度計算)代入上面的公式,得到的史瓦西半徑和哈勃半徑十分接近。考慮到觀測的精度和誤差,可以認為這兩個值是相等的。
也就是說,我們所在的宇宙空間,已經是一個黑洞了。
宇宙的密度很低,相當于地球這么大體積內,平均只有一粒沙的質量(。物質如此稀疏的宇宙空間能形成黑洞,可能對很多人來說很不可思議。黑洞給人的印象是往往是密度很大——如果把太陽壓縮成一個黑洞,它的史瓦西半徑只有3公里,而地球黑洞的史瓦西半徑還不到1厘米。
從上面的公式可以看到,史瓦西半徑和質量成正比,而物體的半徑和質量的立方根成正比(如果密度不變)。
所以,當物體質量增加的時候,史瓦西半徑比物體本身的半徑增長得快。一個質量很大的物體,它的史瓦西半徑會達到甚至超過物體自己的半徑。
然而,大多數宇宙學家并不認同這個證據。他們認為,史瓦西半徑和哈勃半徑十分接近,只是一個巧合。
2. 黑洞內的宇宙
對黑洞的傳統認識是,當物體落入黑洞,就會繼續向黑洞中心墜落,最后落進黑洞中心的奇點——一個密度無窮大,體積無窮小的點。
但是,這并不是唯一可能存在的黑洞結構。黑洞強大的引力使得時空極度彎曲,造成了一個與外面隔離的封閉時空。在這樣一個封閉的空間中,如果物質大致均勻分布,廣義相對論允許它保持一個穩定的內部結構,而不至于坍塌成一個奇點。
那么,在沒有外部物質和能量影響的情況下,黑洞宇宙是一個靜態宇宙。當黑洞宇宙吸入外部物質時,由于質量增加,它的體積也隨之增加,從黑洞宇宙內部來看,表現為宇宙空間的膨脹。
所以,在黑洞宇宙模型中,對宇宙膨脹的解釋不需要暗能量的概念。一個黑洞宇宙通常是從一個恒星級的黑洞開始的。它的內部是一個奇點還是一個嬰兒宇宙,對于外部觀察者來說都是一樣的。當它吸收外部宇宙(母宇宙)的物質和輻射后,就會慢慢長大。
在一個星系中,恒星走到生命盡頭時,會變成白矮星,中子星,或者黑洞。最終,它們匯聚在星系中心,形成超過10億太陽質量的超級黑洞。而這種黑洞的內部,就是像我們的宇宙一樣的另一個宇宙。
恒星級黑洞誕生于超新星爆炸,所以它的內部溫度極高(高于中子星的溫度),但是它并不向外輻射能量。當黑洞宇宙膨脹時,由于能量分散,溫度逐漸降低。當一個黑洞宇宙膨脹到我們的宇宙大小時,溫度已經下降到3K。這就是我們觀察到的微波背景輻射。
黑洞宇宙的膨脹速度取決于吸入物質的數量。我們的宇宙邊界膨脹速度達到光速,這意味著它需要每秒吸入10000個太陽質量的物質。
對于一些質量比較小的黑洞(如超新星爆炸留下的恒星級黑洞)來說,它們周圍的時空曲率變化很大,物質在進入黑洞時會被撕裂成碎片。而質量很大的黑洞(如星系中心的超級黑洞)被稱為“溫柔的黑洞”,物質可以完好無損地穿過視界,進入黑洞——來到另一個宇宙。
3. 黑洞宇宙模型
黑洞宇宙模型是一個多層次的等級結構。我們的宇宙在一個更大的宇宙(母宇宙)中;母宇宙中的其他宇宙是我們宇宙的姐妹宇宙;我們宇宙中的黑洞(恒星級黑洞和超級黑洞)都包含子宇宙;
同樣,我們的姐妹宇宙中也有它們自己的子宇宙;而母宇宙外面是更大的祖母宇宙。這個模型一共有多少層取決于整個空間的大小。
如果整個空間是無限大的,那么宇宙層次的數目也是無限的;反之,則是有限的。在黑洞宇宙膨脹的過程中,可能和姐妹宇宙相遇,從而合并成更大的宇宙。
以上是對黑洞宇宙模型的簡單介紹。它是和大爆炸理論不同的另一種宇宙學模型,對于天文觀測中的很多現象,如空間膨脹,微波背景輻射,也有不一樣的解釋。這種理論目前被認為是一種”類宇宙學“(alternative cosmology),沒有得到多數宇宙學家的認同。然而,從20世紀70年代到現在,仍然有部分宇宙學家在從事這個理論的研究。
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