怎麼理解M87黑洞65億個太陽質量濃縮到一個比原子還小的奇點裡?

2020-12-24 時空通訊

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

這是一位網友提出的問題,原題是:65億個太陽壓縮到不足一個原子大小的空間裡,大神們釋疑一下,真能裝的下嗎?

原子是我們三維空間世界的物質,怎麼能夠形容奇點呢?

這個問題大概是說距離我們5500光年的M87星系中心黑洞,人類首次正式拍攝到這個黑洞的照片,這個黑洞約太陽質量的65億倍。

雖然題目沒有點明,但討論問題必須有一個統一的命題,現在我們就按照這個黑洞來扯皮。

科學界認為,奇點是一個數學概念,作為一種宇宙存在,則是我們世界無法解釋的一種存在。因為它是一個超時空的東西,所以不能以我們時空的想法來解釋。

如果能夠以我們世界的邏輯來解釋,那就不會有愛因斯坦等科學家說的,我們的所有理論在奇點處失效,不但是所有理論,時空也在奇點處消失。

沒有了時空,還能夠按照我們正常的吃喝拉撒邏輯去解釋嗎?

奇點的幾個基本特性。

科學只能夠給出奇點幾個特性:體積無限小、密度無限大、曲率無限大、溫度無限高。

這所有的無限都是因為體積無限小而得出來的。

我們可以想一想,一個沒辦法知道體積的物質,哪怕只有1克質量,你能夠說出它的密度嗎?

根據能量守恆定律,一個哪怕一個1立方釐米1℃的物質,熱量保持卻變成了無限小的奇點,其溫度就會變得無限高。

何謂無限曲率?實際上就是表現出引力無窮大。時空被無限彎曲到奇點上了,任何物質都被彎曲的不見了,沒有了,當然就表現出無限大了。

但無限曲率的影響範圍是有限的。

這個範圍以質量成正比,也就是質量越大,無限曲率的範圍越大。

這個大小範圍就是史瓦西半徑,是1916年天文學家卡爾·史瓦西根據剛出臺的愛因斯坦廣義相對論,研究得出愛因斯坦引力場方程一個解。

這個解得出的結論就是,任何物質都有一個臨界半徑,只要極端的壓力把物質壓縮到這個半徑範圍內,就會形成一個無限坍縮的黑洞。

後來人們把這個半徑叫做史瓦西半徑。

史瓦西半徑計算公式為:R=2GM/C

式中,R為史瓦西半徑值,G為引力常量(一般取值6.67x10^-11N·m/kg),M為物體質量,C為光速。

根據這個公式,任何物體都可以計算出其史瓦西半徑,也可以根據其史瓦西半徑計算出物體的質量。

根據公式可計算出太陽史瓦西半徑為2952米,地球史瓦西半徑約9毫米。

因此黑洞的無限曲率只是在這個史瓦西半徑範圍內,而在史瓦西半徑以外,其引力是與任何天體一樣的,遵循牛頓的萬有引力定律。

所以,黑洞奇點的四個無限,最主要的就是因為無限小導致其他幾個無限出來。

這個無限小到底是多小呢?我們完全無法知道。

量子力學理論已經封死了人類的想像力。

量子力學的鼻祖普朗克提出了人類能夠理解的最小尺度,就是普朗克尺度,小於這個尺度的物質,對於人類來說就沒有意義。

雖然民科認為人的思維無限快,可以任意想像到多遠就多遠,當然也可以想像無限小,要多小有多小,但這些都是毫無意義的。

因為你再怎麼想也是自己在臆想夢想,既沒有真正的到過任何地方,也看不到一個在科學界已經算很「宏大」的細菌。

而普朗克尺度是經過一系列理論得到的,這個最小尺度就是:6×10^-35m。

用小學數字表示就是:0.000000000000000000000000000000000016米。

計算公式為:

這就是有意義的最小可測長度,小於這個長度則處於不可觀測範圍,因此是沒有意義的。

原子直徑約10^-10m,是電子直徑的10萬倍;

電子的直徑約為10^-15m,普朗克尺度比電子小20個數量級,也就是小萬億億倍。

但奇點肯定比這要小,因此人類無法認知。

迄今人類發現最大黑洞是TON618類星體中心黑洞,這個黑洞質量約太陽的660億倍,中心當然也是一個奇點。

如果我們老去想這麼巨大的質量塞進一個原子裡,想破了腦袋也想不透。實際上黑洞奇點比一個原子小若干億億億億倍也無法比喻,因為完全不知道有多小,實際上它不存在於我們世界。

黑洞奇點已經膨出到另一個世界。

量子理論認為,黑洞奇點很可能是我們世界與我們無法探知另一個世界的臨界點,我們世界的時空在奇點處消失了,從那裡膨出到超維度世界去了。

留在我們世界的只有三個物理量,即質量、角動量、電荷,人類從這些物理量才能夠觀測到黑洞的存在。

當然,黑洞理論是根據愛因斯坦場得出的一個結論,前面所說的都是基於現在已有理論得出的一些解釋。

對黑洞的觀測和研究都還在繼續中,或許今後會有新的發現,甚至顛覆性理論出現。

但沒有新的理論之前,對這種宇宙極端現象,任何毫無根據的猜測臆斷,或用我們吃喝拉撒的這點生活邏輯去揣測都是毫無意義的,切勿當真。

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