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。
1. 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得快。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,大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。
2. 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的黑洞开始的。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。当黑洞宇宙膨胀时,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”,物质可以完好无损地穿过视界,进入黑洞——来到另一个宇宙。
3. 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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