宇宙大爆炸之前是一個黑洞嗎?

2020-12-10 優美生態環境保衛者

科學家們通過宇宙不斷膨脹的事實,通過時間的反推認為存在一個時間和空間的起點,現有宇宙中的所有物質都來源於這個點,這個點被稱為「奇點」。而黑洞的中心也有一個類似奇點的存在,與宇宙起源「奇點」相比較,它們看上去都具有體積無限小、密度無限大、引力無限強、溫度異常高的特點,那麼能否從此推斷出宇宙大爆炸前也是一個黑洞?或者說現在的黑洞也可能會像宇宙起源那樣發生爆炸呢?

我們先來看一下宇宙起源的那場大爆炸。在哈勃通過多年的觀測,發現系外恆星發出的光線,在地球上接收到的光譜特徵具有向紅端移動的現象之後,根據光譜的都卜勒效應繼而得出宇宙膨脹的事實,並且確定了遙遠目標星體相對於地球的退行速度,與它們和地球之間的距離成正比,這個比率即為哈勃常數。2013年通過普朗克衛星,科學家們對哈勃常數值進行了修正,確定為距離地球每百萬秒差距區域(326萬光年),其相對於地球的退行速度約為68公裡每秒。

根據宇宙膨脹理論,我們可以計算出在距離地球144億光年的區域,其目標星系遠離地球的速度就達到了光速,也就是說從現在開始,距離地球144億光年區域所發出的光線,已經無法到達地球。如果考慮到宇宙膨脹的歷史,那麼能夠到達地球的光線,最多可以追溯到距離地球465億光年的區域,這也是以地球為中心可觀測宇宙範圍的由來。

與此同時,科學家們結合宇宙微波背景輻射、Ia型超新星爆發、造父變星亮度變化周期、引力波等的觀測研究結果,推測出宇宙的年齡為138.2億年。也就是說在138.2億年之前是宇宙膨脹的起點,所有宇宙物質都來源於一個體積無限小、質量無限大、引力無限大、溫度無限高的一個「奇點」,同時在這種理論的框架下,我們可以認為在大爆炸之前,「奇點」就是宇宙的全部,在它之外沒有任何的時間與空間的概念,整個宇宙都是零維的點,因此談論「宇宙大爆炸之前」這個命題本身就是不嚴謹的,因為時間和空間在奇點之處擁有著無限高的彎曲程度,時間是完全停滯的、空間完全壓縮的,根本不具備物質屬性,這一點是與黑洞以及黑洞中心最明顯的區別。因此,追溯到宇宙最初的起源點,它本身就是一個零維的點,根本不是一個黑洞。

至於「奇點」為何會發生爆炸,至今科學界很難給出一個明確的結論。不過隨著量子力學的發展,科學界從微觀量子領域進行推測研究,認為「奇點」在大爆炸之前普遍存在著量子漲落的現象,在沒有時間和空間概念的「奇點」處也不例外,由於量子世界的不確定性,組成「奇點」的虛粒子在發生迅速產生和湮滅的過程就可能出現例外,有時並非完全遵循完美的對稱性,從而使得虛粒子對的其中一員發生逃逸,繼而引發量子漲落的不確定性,最終推動了「奇點」大爆炸的產生,在1個普朗克時間(10^-43秒)裡就「炸」出了現有宇宙空間尺度,隨即引力波釋放出去,在10^-32秒時間內分離出強相互作用力,在千分之一秒內分離出電磁力和弱相互作用力,38萬年後隨著整體溫度的下降,自由原子和電子才組合成第一批中性原子,光線才從「混沌宇宙」中逃逸出去。此後又經過億萬年的醞釀和物質積累,才逐漸形成宇宙中的第一批恆星和行星。

而目前宇宙中的黑洞,與宇宙大爆炸之前奇點的形成原因完全不同。從黑洞的類型來看,科學家認為現實宇宙中有三種推測形態,第一種是原初黑洞,產生於宇宙大爆炸的早期瞬間,巨大的能量和超高的溫度,使得宇宙大擴張時產生了許多空間上的「空洞」,不過由於這些黑洞非常小,「蒸發」現象非常強烈,這些黑洞的壽命非常短。第二種是恆星黑洞,是大質量的恆星在生命晚期,通過超新星爆發之後剩餘核心部分物質繼續無限坍縮而成。第三種是星系黑洞,存在於每一個星系的中心,是由位於星系中心區域眾多大質量恆星演化為黑洞之後,通過黑洞不斷吞噬恆星或者黑洞之間的合併所形成的超大質量黑洞。

作為從目前已經被觀測和證實的恆星黑洞和星系黑洞來說,和其它天體相比,它們的中心由於巨大的質量和超強的引力,在事件視界以內造成了時間和空間的超高彎曲,即使速度最快的光線,在這個視界以內也只能沿著測地線圍繞核心運行,而擺脫不了引力的束縛,也就是說在黑洞的事件視界以內,其逃逸速度超過了光速,光線就像被吸入了一樣,所以視界以內的任何物質和信息,我們在外圍都是無法觀測到的,然而在視界以外的天體和光線,我們是能夠觀測到的,也正因為黑洞的這種特性,我們通過引力透鏡、引力擾動、吸積盤等方法,可以間接地觀測到黑洞的存在。

從以上分析可以看出,黑洞與宇宙大爆炸起源的奇點有著明顯的不同,最直接的就是黑洞是一種天體結構,它無論是從質量、體積,還是從引力大小來看,都是有一定範圍的,即使是無法觀測到任何信息的事件視界以內的空間,也是具有區域性,只不過在事件視界以內所有的質量都集中到核心的奇點之上。而黑洞也不會發生類似宇宙起源的那種大爆炸,它的命運之曲是由「激烈」的吸收和「溫和」的蒸發共同組成的。

這種「溫和」的蒸發就是所謂的「霍金輻射」,黑洞的溫度高於宇宙微波背景輻射時,便會向外傳遞能量,從而使得黑洞的質量越來越小,黑洞的質量越大,其整體溫度就越低,霍金輻射的強度就會越小,其壽命也就越長,比如恆星黑洞在萬萬億年之後才開始溫和地蒸發,然後再經過相當長的時間才會逐漸消失不見。

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