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黑洞及其视界附近的物理规律,中的物理学

时间:2019-08-22 22:31来源:科学研究
对于黑洞来说,它最不可思议的属性,就是它非常小的体积和近乎无穷大的质量,比如最小的黑洞仅有几公里的半径,质量却比我们的主序恒星太阳还要大十几倍,这是非常惊人的“体

对于黑洞来说,它最不可思议的属性,就是它非常小的体积和近乎无穷大的质量,比如最小的黑洞仅有几公里的半径,质量却比我们的主序恒星太阳还要大十几倍,这是非常惊人的“体质比”。

8月23日,我国著名科幻作家刘慈欣的小说《三体》,荣获2015年科幻文坛大奖“雨果奖”,这被称为科幻文学界的诺贝尔奖,也是亚洲作家首次获此殊荣。

人类对黑洞的认识过程 在1796年,法国天文学家拉普拉斯在他的著作《宇宙体系论》中就预言:如果它引力足够强,光速也不足以成为逃逸速度的话,我们可能会看不见它。宇宙中最大的天体可能是完全看不见的,这种观点是建立在牛顿引力理论基础上的,当时没有任何办法能够验证他的想法。直到100年后,爱因斯坦发表了广义相对论,它在基本概念上与牛顿引力理论完全不同。在广义相对论中,空间和时间构成了一个四维时空,时空的几何性质与物质,通过爱因斯坦引力方程联系起来,物质是引力的源,也决定了时空的弯曲。 广义相对论发表后不久,德国天文学家史瓦西立即对球对称的情况求出了爱因斯坦引力方程的解。按照这个解,质量为M的不旋转的球形天体存在一个临界半径Rg,半径内外时空性质迥然不同,而Rg定义为引力半径或史瓦西半径。同以前的拉普拉斯一样,他也不知道这种天体是否真地存在。这个问题直到1939年才得到证明,当时奥本海墨和一个学生共同证明:一颗冷却的、质量非常大的恒星,理论上必然要无限坍缩而变成黑洞,即黑洞可能是真实的天体。 黑洞的形成 目前认为黑洞是质量达太阳数十倍的巨型星球在其生涯的最后一刻发生大爆炸后形成的。在恒星内部的高温高压条件下,原子核进行着强烈的聚变反应,这种热核反应释放出来的核能与聚向中心的引力相抗衡,使恒星维持着稳定的状态,同时向外界辐射出巨大的光能和热能,时间长达几十亿、几百亿年。但稳定的热核反应不可能永远持续,当热核反应不能稳定进行时,恒星就走向毁灭。 衰老的恒星如何演变,取决于剩下的星核的质量。其中,小质量和中等质量星核的恒星将成为白矮星;而当剩下的星核的质量达到太阳质量的1.4倍时,其引力足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子的程度,此时星核就成了一颗中子星;而当星核质量超过太阳质量的2—3倍时,再不会有任何力能够与引力抗衡,星体将不可避免地一直坍缩下去——理论上,最后成为体积为零、密度无穷大的点。 需要说明的是,以上黑洞的形成过程目前还只是天体物理理论的一种推测。 史瓦西半径任何天体都存在一个临界半径,即史瓦西半径Rg。在Rg的里面,时空弯曲得非常厉害,以致光都不能逃逸出来。按照狭义相对论:光速是任何物体可能达到的最大速度,因此也就没有任何别的物体能从史瓦西半径以内的区域逃出。史瓦西半径的数学表达式为Rg=2GM/c2其中c为光速,G为牛顿万有引力常数,M为质量。从这个数学表达式,我们可以看到史瓦西几何所具有的普遍性,因为它与恒星的类型无关,而只依赖一个参数——质量。因此按照公式可以计算任何一个球形天体的史瓦西半径的大小,比如太阳。像太阳这样质量的恒星,带入公式后算出史瓦西半径大约为2.95千米,即如果太阳被压缩进直径5.9千米的球内时,它将成为黑洞。而地球若成为黑洞,则地球上的一切物质,包括大气、海洋、山脉、河流和一切生物,要全部压缩到直径为1厘米的小球内。 视界视界是黑洞的边界,是黑洞表面距离中心半径为R的一个球面。因此它的半径依赖于黑洞的质量。视界是时空的分界,它将所有事件分为两类。在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙;而在视界以内,光线并不能自由地从一个物体传播到另一个物理,而是朝向中心集聚。而且进入视界的外来辐射也将继续进入黑洞,而不可能被反射出去。 奇点用视界包围的质量和体积计算的平均密度与质量的平方成反比,因此黑洞的质量越小,平均密度越大。当天体坍缩到越过视界时,引力仍占压倒性优势,它将继续向中心坍缩,天体的所有物质最后聚集在中心的一个点上。体积为零,质量虽然有限,但密度却无穷大,这个点就是奇点。引力规律天体的引力半径Rg与它的实际尺度R之比率Rg/R=2GM/,标志着该天体引力场的强弱:若Rg/R《l,则属于弱引力场;若Rg/R≤1,则属于强引力场。由此可见,大部分天体的引力场很弱,时空弯曲很小,牛顿引力理论完全适用;但黑洞引起的时空弯曲很大,必须用广义相对论处理。从以上列举的几个数字就可以理解,黑洞强大的引力,没有任何力量可以与之抗衡。

黑洞不是洞,在时空中它表现为一个球体,黑洞有一个封闭的事件视界,任何进入事件视界的物质,就再也不可能逃逸出去,而平常我们所讲的“黑洞的体积”就是指黑洞的事件视界。一个黑洞的事件视界的大小,可以通过它的质量来计算出来(有兴趣的小伙伴可以参考史瓦西半径的相关公式)。

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在科幻小说《三体》中,用到了大量的物理学设定。我国著名物理学家、科普作家李淼先生在不久前出版的《三体中的物理学》一书中,对这些知识做了深入浅出的生动讲解。虽然有些内容不乏艰涩,很烧脑洞,但其中自然科学知识的ABC,作为生活在现代社会的读者来说也很有必要了解。征得作者同意,新知周刊《科技》版特摘编书中一些内容提供给读者。

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在原子微观世界被近代物理揭开之前,谁都不可能疯狂到认为一颗乒乓球大小的“黑洞”能比我们整个地球还要重,不过在面对整个宇宙,人类最不需要惊讶的,就是那些我们人类的智慧没办法理解的东西。

黑洞

图1表示一个球对称恒星引力坍缩的四个阶段,越来越多的光逐渐被留住。坍缩之前,恒星的体积远大于史瓦西半径所规定的尺度;按照广义相对论,它的引力场对光线几乎没有影响,从恒星表面上某一点发出的光可以朝任何方向沿直线传播。随后,恒星坍缩,随着其半径趋近于史瓦西半径,引力阱加深,时空弯曲程度增大,光线被迫弯曲,偏离直线。当恒星半径等于1.5倍史瓦西半径时,出射的光线会背道而驰,落回恒星表面,就像喷泉的水。这些光线组成一个光球,像茧一样包裹着坍缩中的恒星。远处的观测者只能偶尔看到少数逃逸出来的光子。随着引力坍缩的继续,能够逃逸的光子越来越少,光的“逃逸锥”在不断缩小,当恒星达到临界的史瓦西半径时,所有光线都被捕获,即使那些沿径向射出的也不例外。逃逸锥完全关闭,光球消失,黑洞也就形成。其表面,即史瓦西球面,就是不可见区域的边界,也就是所谓的视界。 黑洞无毛定理对于物理学家来说,一个黑洞或一块方糖都是极为复杂的物体,因为对它们的完整描述,即包括它们的原子和原子核结构在内的描述,需要有亿万个参量。与此相比,一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体,如果知道了它的质量、角动量和电荷,也就知道了有关它的一切。 黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆,它保持的只是质量、角动量、电荷。消繁归简或许是黑洞最基本的特征。有关黑洞的大多数术语的发明家约克·惠勒,在60年前把这种特征称为“黑洞无毛”。一开始,这只是一种猜测,20世纪70年代得到了严格的数学证明。这是包括默东天文台的布兰登·卡特和澳大利亚的加里·班亭在内的理论物理学家l5年努力的结果。他们证明,描述一个平衡态黑洞周围的时空几何只需要3个参量,从而证实了惠勒的表述。 黑洞的参量是可以精确测量出来的,尽管是借助于理想实验。可以把一颗卫星放在围绕黑洞的轨道上,并测量卫星的轨道周期,从而得到黑洞的质量。黑洞的角动量可以通过比较朝向视界的不同部分的光线的偏转来测量。 对于上文提到的有一定质量的克尔-纽曼黑洞,电荷和角动量都有上限,也就是都受到保证视界这一条件的限制。如果在某个大质量恒星的引力坍缩过程中,这个限制被违反,黑洞就成了裸奇点,并能影响到宇宙中的远距离处。然而,物理学家有充足的理由相信,这种情况被自然规律所禁止,因而不会发生。 既然只由3个参量支配,一个黑洞就像一个基本粒子一样简单。尽管基本粒子也是把质量、角动量、电荷集中在一个很小的体积内。但是,只要考虑一下视界存在的条件,就知道没有什么比基本粒子与黑洞的差别更大。以电子为例,实验已经确定它的3个参量,就相同质量来说,电子的电荷和角动量·超过黑洞上限的1088。这个令人惊谔的数字甚至超过了可观测的宇宙基本粒子总数,而这正是一个电子和一个克尔-纽曼黑洞之间差异的量度。 x射线辐射规律理论上认为物质掉入黑洞时会有x射线辐射,我们以气体为例讲述一下物质发生辐射的物理过程。当气体围绕黑洞旋转而趋近黑洞时,相对于黑洞会有较大的角动量,还会形成气盘。气盘中的气体会受到挤压,同时相邻气体的粘滞性引起摩擦产生热能。随着气体旋转速度的加快,它们被压缩得也愈加厉害,温度也随之越来越高。这种下降的热涡气流旋的温度和密度最后变得非常高,当它们接近视界时就会发射X射线。 有关黑洞的其他一些物理性质,因涉及量子理论和现代的物理学原理,如黑洞的熵、黑洞蒸发等黑洞的量子性质,在这里没有详细介绍。因为黑洞的量子理论似乎导致了物理学中的一个新的不可预测性层次,它超出了与量子力学有关的通常的不确定性。这是因为黑洞看来具有内在熵,并使信息从我们所在的宇宙区域中失去。应当指出,这些说法是存在争议的:许多研究量子引力的人(包括从粒子物理学进入这一领域的几乎所有人)都本能地反对关于一个系统的量子状态信息可能丢失的概念。量子理论认为黑洞发出辐射并损失质量,最终它们似乎完全消失,带走了内部存储的信息。遗憾的是,与海森伯的不确定性原理不同,黑洞这一额外的层次很难用实验验证。关于黑洞的研究和认识会随着更先进的观测手段和物理理论的不断进步,取得新的成果。这个神秘的天体最终会以崭新的面貌呈现于我们面前,那个时候我们对宇宙和自然的认识将取得更多的成果。

那为什么有时候又说黑洞体积无限小,密度无限大呢?其实这指的是位于黑洞中心的奇点,下面我们来看一下为什么黑洞这个奇点是怎么来的。

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作为天体物理学家,叶文洁对核武器十分敏感,她知道这是恒星才具有的力量。她更清楚,宇宙中还有更可怕的力量,有黑洞,有反物质,等等,与那些力量相比,热核炸弹不过是一支温柔的蜡烛。——《三体》

牛顿告诉我们,凡是有质量的物体都会产生万有引力,这种力有三种特性:1、它只有吸引力,没有排斥力;2、它是长程力,而且可以无限叠加;3、它的强度很小。

对于黑洞来说,它的体积和质量一样是成正比例关系排序,但是这个“体质比”只能在同类黑洞中适用,对于其他天体来说,这种夸张到极点的比例是不可能成立的,黑洞巨大的质量,并不是来源于它的体积,也不是来源于它的引力,而是来源于它内部的分子排序结构。

拉普拉斯根据牛顿的万有引力理论,推测黑洞是存在的。拉普拉斯的黑洞很好理解,我们知道,在地球表面发射火箭,如果初始速度不够大,不论火箭飞多远,最终还会落回到地球上。如果速度再大一点,例如超过7.9千米每秒,火箭就会越飞越远,永远逃离地球。对于宇宙中的每个质量点而言,都可以计算逃逸速度,质量越大,距离质量中心的距离越近,逃逸速度就越大。如果我们将地球的质量压缩到一个更小的球体中,地球表面的逃逸速度就会增大,因为万有引力变强了。拉普拉斯发现,如果这个质量点的半径足够小,逃逸速度就达到光速,因为没有任何速度大过光速,故而所有物体都不可能逃脱这个质量吸引。不论它飞多远,最终都会落回来,或绕这个质量公转,这就是拉普拉斯的黑洞。

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在宇宙所有的物质中(除去黑洞和未知事物)构成它们形体原形的基本原子,其实内部拥有巨大的空间,这就是黑洞质量之谜的解释。

史瓦西先生发现,黑洞是爱因斯坦理论的一个自然结果。在其去世的前一年,也是爱因斯坦发现广义相对论的几个月后,他发现了爱因斯坦理论中的第一个严格解。在一个由中心质量造成的弯曲时空中,越靠近中心的钟走得越慢,到了一个固定的边界,时钟走得无限慢,也就是说,如果我们站在外面看这个边界上的钟,它的秒针几乎不动。这个边界就是著名的黑洞视界。在这个边界上,光也无法逃逸。为什么光无法逃逸呢?很简单,尽管光速很大,但时间变得太慢了,对于我们的一个小时甚至一年,那里的时间几乎没有变,当然光在我们看来也就没有走了。

宇宙中的各种天体,其产生的引力的方向都是指向自身的中心,因此它们的核心都会受到来自于自身的引力的压迫。这时引力就表现为重力,其目的只有一个,就是尽自己所能将天体压缩到最小。因为引力的强度很小,所以一般的天体比如说行星,仅凭电磁力就可以抵抗住重力的压迫。

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史瓦西虽然发现了黑洞解,但爱因斯坦并不相信一个质量可以被大幅压缩以产生视界,所以黑洞对他来说并不存在。

而对于质量更大的天体,由于引力的叠加,其核心承受的重力也就随之提高,这个天体核心的温度和压强也会随之增加,当超过到一个临界值的时候,就会点燃氢的核聚变,核聚变将会产生向外的辐射压,这样就抵抗住了重力,以免自身进一步坍塌,这时这个天体就变成了一颗恒星。

构成万物的基本原子大约有千万分之一毫米那么小,但是这样小的尺寸内,包含了能够给万物以质量的原子核和少量的电子,原子核只占据原子内部空间的千亿分之一,也就是说,如果把原子比作地球,那么原子核在地球上就只有一个乒乓球这么大。

直到史瓦西在理论上发现黑洞五十年后,黑洞研究才成为热门,因为天体物理学家发现,黑洞会在宇宙中自然形成。

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说到这里大家肯定就会明白了,构成我们万物的基本粒子,在本质上都最少还有几千亿倍的增重比值,只需要把原子内部的空间用其他原子核填充满就可以了,这就是宇宙一切小天体大质量之谜的答案。

黑洞是真实存在的,可以说宇宙中到处都是黑洞,从质量只有几个太阳质量的恒星级黑洞,到质量为太阳质量100至100000倍的中型黑洞,再到星系中心的黑洞,其质量高达10万至100亿个太阳质量。天文学家甚至猜测,所有星系的中心都是一个黑洞。

看到这里也许有人会问了,为什么大质量的天体一定主要由氢组成的,不能够是像地球这样的岩石行星吗?其原因就是宇宙的元素丰度,从较大的范围来看,宇宙中的元素都是按一定比例分配的,其中氢元素占了绝大多数。

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有一个简单的公式,黑洞的视界半径与质量成正比。根据这个公式,如果我们将太阳塞进半径大约为3000米的球体中,黑洞就会形成。如果要让地球成为黑洞,其直径或许不到1厘米。

如果一颗恒星的质量足够大,那么其巨大的重力将会使它的核心引发一轮又一轮的核聚变,在这个过程中各种轻元素一级一级地聚变成更重的元素,一直到铁元素的出现。需要指出的是,质量较小的恒星都不能聚变出铁元素,通常情况下它们会在之前的某一阶段就停止核反应了,例如太阳。

想要把原子内部的空间全部填满,即便是人类科技也是根本没有任何可能做到的,但是大自然了不起的地方正是如此,我们都知道,黑洞在坍缩之前其实是大质量的恒星,恒星燃烧完自己的燃料以后,会发生爆炸,这就是超新星爆发。

其实,不大可能存在质量比太阳还要小的黑洞,这是因为天体物理不允许小质量黑洞的形成。较小的恒星形成黑洞之前就会停止核反应,形成白矮星或中子星。当恒星的质量足够大,以至于中子之间的排斥力不足以抵抗万有引力时,黑洞才会形成,这样的黑洞通常不会小于三个太阳质量。

由于铁元素的聚变不再释放能量,恒星内部就失去了抵抗重力的能量,这时恒星就会在重力的作用下开始坍塌。随着恒星体积的缩小,新的力量又会阻止重力,即简并压。

但其实大质量恒星并不是自然爆炸,而是巨大的内核引力造成了恒星结构的剧烈不稳定,最后恒星的部分物质会在内核引力的作用下无限的汇聚挤压,这就是填充黑洞原子内部空间的神秘力量——引力。

引力波

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罗辑一家远远地就看到了引力波天线,但车行驶了半小时才到它旁边。这时他们才真正感受到它的巨大。天线是一个横放的圆柱体,有一千五百米长,直径五十多米,整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面,一半映着天空,一半映着华北平原。——《三体》

简单的讲,简并压就是基本粒子的排它性,它们不允许其它的基本粒子占据自己的空间。根据现代物理学的描述,简并压可分为三种层次,即电子简并压、中子简并压以及夸克简并压。

小编曾经听到过科学界有这样的一种才行,在我们三维宇宙中,唯一能够不受任何牵制,唯一能够左右宇宙万物的,就是引力,这种看起来是来源于天体质量,但其实蕴藏着人类无法想象力量的原动力,是构造我们宇宙的关键所在,黑洞巨大的引力能够吞噬光线,但是依然无法束缚引力波。

万有引力是近代科学最早确定的自然界中的基本力。牛顿的万有引力理论比法拉第和麦克斯韦的电磁力理论早了一个半世纪到两个世纪,在解释天体运行、潮汐以及预言新行星方面,取得了了不起的成就。

但大质量恒星自身的重力会将这三种简并压力全部碾碎,它会将电子压入原子核,使其与核内的质子形成中子,然后将中子压碎变成夸克、最后再将夸克也……

黑洞内部的空间趋于无穷小,但是依然有强大的引力作为它基本的结构沾粘力,牛顿对万有引力的研究让他最后去寻找了上帝,爱因斯坦一生都想统一微观物理和宏观物理的引力场,但是至死都没有完成这个心愿。

但是到了爱因斯坦时代,人们才发现牛顿理论并不完美,在原理上可以说完全不正确,因为它假设两个质量之间的超距作用,也就是说,假设相隔一定距离的两个物体之间存在着直接、瞬时的相互作用,不需要任何媒质传递,也不需要任何传递时间。这显然是不可思议的。

在夸克之下,还有什么力量可以阻止重力呢?我们现在还不知道,于是科学家们只有无奈地得出结论,巨大的重力将会把恒星无限地压缩,形成所谓的“体积无限小,密度无限大”的奇点。

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在爱因斯坦的理论中,万有引力成了弯曲时空的效应。而如果我们从一个固定的时空出发,考虑时空对这个固定时空微小的偏离,爱因斯坦理论中出现了类似光子的东西,就是引力波。

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虽然说牛顿的万有引力和爱因斯坦的广义相对论都是对引力很好的解释,它们也的确是反映了宇宙引力很好的科学工具,但是距离揭开引力真正面孔的距离,我们还有很长很长的路要走,甚至我们根本走不出这个慢慢长路,未尽之意愿,就只能留给我们遥远的后世去认真研究了。

引力波是爱因斯坦广义相对论的预言。引力波的存在说明引力传播速度也是有限的,在爱因斯坦理论里面就等于光速。自从希格斯粒子现身之后,引力波是现代物理学预言中唯一还没有被证实的预言,虽然存在间接的证据。

总而言之,黑洞就是宇宙中“大力出奇迹”的典范。从理论上来讲,在更微观的层面上,一定存在着其他的机制,相信随着科学的进步,黑洞的奇点之谜最终会真相大白。

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万有引力无所不在,可为什么引力波难以探测?唯一的理由,还是万有引力作用太微弱了。静态万有引力已经足够微弱了,只有当质量积累到形成如月亮和地球这么巨大的天体时,我们才会感到万有引力的存在,而引力波就更加微弱。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见`

对于黑洞而言,它唯一神秘的源泉,就是它的质量,黑洞的质量扭曲了时空产生了能够吞噬一切的引力,但是它偏偏又无法吞噬同类合并带来的引力波,因此我们对宇宙原动力最需要解决的问题,恰恰就是这股原力,也就是引力,当某一天,人类能够把引力的来龙去脉研究清晰,距离我们走入高等文明的序列,就为期不远了。

一个振荡的电荷会产生电磁波,两个天体互相绕着运动能够成为引力波的来源。事实上,引力波就是这么被间接发现的。两个中子星互相绕着转动,辐射引力波导致中子星损失能量,之间的距离变小,转动的周期变小,这个间接观测完全符合爱因斯坦的理论,天文学家泰勒和赫尔斯因为这个观测,共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

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在宇宙中,超新星爆发,黑洞形成,一颗恒星掉入黑洞,都会产生引力波,而且比较强。虽然泰勒和赫尔斯在1974年就间接地观测到了引力波,但由于引力波非常微弱,直到今天,科学家都还没有能够直接探测到引力波。人类有望在2016至2017年探测到引力波。

宇宙之死

在永远的膨胀中,所有的星系将相互远离……恒星将相继熄灭……宇宙将变成一座空旷的坟墓,所有的文明和所有的记忆都将被永远埋葬在这座无边无际的坟墓中,一切都永远死去。——《三体》

在谈到宇宙的未来之前,我们首先应了解宇宙现在的状态。其实,我们不需要知道太多,只需要弄清楚两个重要的问题:

第一个问题:宇宙的膨胀程度如何?是加速还是在减速?

第二个问题:宇宙中的能量组分都有什么?

在1998年以前,几乎所有人都相信宇宙虽然在膨胀,但膨胀在减速,将来的很多很多年之后,膨胀的速度可能无限趋近于零,也可能会降低到零,然后宇宙开始收缩变小。这是一个自然的想法,自从大约150亿年前发生的大爆炸以来宇宙一直在膨胀,但目前的膨胀速度已经比宇宙早期变小了很多,许多人认为宇宙的膨胀一直在减速,观测也似乎支持这个自然而然的想法。有趣的是,几乎没有人质疑过观测数据,尽管现在回头看以前的观测数据,并没有在严格的意义上告诉我们宇宙的膨胀在减速。

为什么物理学家特别相信宇宙膨胀的速度在减小呢?这是因为主导宇宙的力是万有引力,即使是爱因斯坦的理论也不能改变这个事实。在万有引力的主导下,宇宙中所有天体之间的相对速度都会变小。

爱因斯坦为了获得一个静止的宇宙引入了一个万有斥力。万有斥力只是宇宙加速膨胀的解释之一。从现代物理学的观点来看,他的理论相当于认为真空中存在某种永远不会因为宇宙膨胀而稀释的能量,这个能量的密度保持恒定。这种能量叫暗能量。

暗能量的性质决定了我们宇宙的命运。这是因为,暗能量现在是主导宇宙的能量,它占宇宙中所有能量的60%以上,而我们肉眼能够看到的物质以及肉眼看不到的暗物质只有不到40%。

我们稍微谈一下暗物质,它是暗能量之外占宇宙能量组分最大的。这种物质看不见摸不着,但天文学家在20世纪60年代,就发现它的存在了。它的存在导致星系和星系团的万有引力比可见物质引起的万有引力大得多,天文学家通过观测恒星围绕星系中心的运动速度,可以推断出暗物质要比普通物质多了5至6倍。

不论是普通物质、暗物质,还是辐射,这些能量密度在宇宙空间膨胀下被稀释,而暗能量呢,在数十亿年之内没有明显的变化。也就是说,数十亿年到上百亿年之后,暗能量不仅主导宇宙,还远远高于其他能量份额。

还有一种可能,暗能量密度其实在慢慢变大。如果是这样,暗能量密度会在有限时间内变成无限大,也就是说,万有斥力变成无限大。不需要专家我们都能推测将会发生什么,宇宙中所有空间和物质都会被撕裂——首先是银河系被撕裂,然后是地球被甩出太阳系,接着是月球被甩出地球的引力范围,然后地球本身被撕裂……直到每个原子,每个原子核,每个质子和中子都被撕裂。

我们也许永远无法弄清宇宙在发生暴涨前的状态,但我们应该会知道宇宙的宿命,到底是一直膨胀下去,还是有一天会减速刹车,或者……发生大撕裂。

宇宙死去之后及之外

为了避免这个未来,只有把不同文明制造的大量小宇宙中的物质归还给大宇宙,但如果这样做,小宇宙中将无法生存,小宇宙中的人也只能回归大宇宙,这就是回归运动。——《三体》

暴涨宇宙论的主要预言,已经被近20年的宇宙学观测——特别是微波背景辐射的观测所证实,也许在不久的将来就会被毫无异议地证实,例如这个理论所预言的宇宙最初一刻发出的引力波被观测到(2014年3月一个美国观测小组声称观测到了),提出这个理论的古斯的成就也许将被诺贝尔物理学奖所肯定。

然而,宇宙学的终极问题之一是,宇宙暴涨的起源是什么?宇宙是唯一的吗?下面,我们从众多理论中挑选出两个介绍给大家:

轮回说

首先,我们要提到与佛教轮回相似的循环理论。佛教中的轮回说,不同的人有不同的理解,哪怕是学佛的人,解释也很不相同。佛家也有天地成败的“劫”,一劫到底有多长?有一种说法,一劫大约是四十三亿二千万年,虽然比现在的宇宙年龄短,却是一个量级的。

宇宙学家早就提出过类似佛教轮回学说的宇宙膨胀-收缩-反弹再膨胀-再收缩……的说法,这种说法给宇宙起源提供了一个理由:宇宙在大爆炸之前是另一个宇宙,在另一个宇宙之前还有一个宇宙,等等,如此前溯无穷无尽。

永恒暴涨论与多元宇宙

这是一个在过去十几年中非常流行的理论。

1983年,林德提出了一个令人非常吃惊的想法,他认为暴涨的起源几乎无所不在。他将这个模型命名为混沌暴涨论。在这个模型中,驱动暴涨是一个永远在做量子涨落的场。当这个场涨落到一些地方使得场所含的能量足够大时,暴涨就发生了。例如,即使在我们现在这个足够安静的宇宙中,这个场也无时无处不在涨落,万一它涨落出一个足够大的能量密度,那个区域就会发生暴涨,从我们这个母宇宙中产生出一个小宇宙,那个小宇宙剧烈地膨胀,很快,一个崭新的大宇宙就从我们这个母宇宙中产生了。

如果世界真是这样的,那么,在我们这个宇宙之外,应该还存在很多很多大大小小环境完全不同的宇宙,甚至连物理规律也可以不同。这样的宇宙图景,叫多元宇宙。

编辑:科学研究 本文来源:黑洞及其视界附近的物理规律,中的物理学

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