黑洞穩定性和「臨界質量」問題

2020-12-15 鄧如山

白矮星、中子星和黑洞的形成符合物理哲學引力論的等效原理。不同質量大小的老年恆星在生命周期的最後階段停止了輕元素向重元素的核聚變反應,恆星的外殼物質從主體脫落,主要部分的核心物質在自身重力的單邊作用下迅速產生了塌縮,巨烈的塌陷過程相當於死亡恆星發生了大爆性。像太陽一樣的中等質量恆星通過紅巨星的爆炸方式轉變為白矮星,大質量和超大質量恆星通過超新星的爆炸方式轉變為中子星和黑洞。在中子星的情形中,恆星核心的所有物質被壓碎成中子和其它粒子,恆星核心的物質被壓縮成中子星之後停止了引力收縮,中子星內部的中子簡併力抵抗了中子星自身的強大引力。在黑洞的情形中,恆星核心的質量形成的引力超過了中子簡併力,引力塌縮過程將連續發生,直到中子星內部的中子和其它粒子最終被壓碎成「粉末」,形成了物質密度無限大、體積無限小的「能量點」。

黑洞不是宇宙時空的洞穴,而是物質密度無限大、體積無限小的能量點,天體物理學錄將由超大質量恆星轉化成的能量點稱之為「奇點」,一些科學家相信,超大質量恆星在死亡後轉化為「原始火浗」,我們在詞源學的的概念上將原始火球定義為「能量球」、或「奇球」,能量點和奇點與能量球和奇球符合自然哲學對應論的等效原理。最先以愛因斯坦的廣義相對論為依據求出黑洞「奇點解」的人是德國物理學家弗裡德曼,1916年,愛因斯坦寫出了廣義相對論場方程式,弗裡德曼求出了場方程的一個「黑洞解」,他不是第一個預言了黑洞天體的科學家,而是第一個以廣義相對論為依據預言黑洞的物理學家。從二十世紀六十年代以來,天文學家找到了越來越多黑洞的觀測證據。在學術和大眾科學領域存在一個奇特的現象,懷疑黑洞存在性的人少,質疑廣義相對論科學性的人多,如果包括弗裡德曼在內的科學家以錯誤的廣義相對論正確預言了黑洞天體,那麼其中的悖論性將是愛因斯坦物理生涯「奇蹟中的奇蹟」。

弗裡德曼理論、或「弗裡德曼解」和彭羅斯—霍金理論、或「彭羅斯—霍金解」符合哲學概念論和邏輯論的等效原理。彭羅斯和霍金將廣義相對論和量子場論的場方程聯立求解,從數學上證明了黑洞引力邊界、或黑洞視界的形成沒有任何障淂,隨著黑洞事件視界的形成,在黑洞中心必然出現奇點。「史瓦西半徑」和「錢德拉塞卡極限」給出了恆星轉化為黑洞的「臨界質量」和天體轉化為黑洞的「臨界半徑」,史瓦西半徑和錢德拉塞卡極限給出了黑洞的形成條件,兩種公式符合物理哲學條件論的等效原理。青年時期的錢德拉塞卡從數學上計算了恆星的極限質量,如果一顆爆炸恆星的核心質量相當於太陽的3.2倍,那麼恆星核心的物質通過引力坍縮產生奇點、或產生由奇點和視界構成的黑洞。

1965年,彭羅斯從數學上證明了黑洞「奇點」,者年恆星的表面積、或體積在引力坍縮作用下縮小為極限為零的「點」,它的物質密度無限大、或時空曲率無限大,出現了奇點。雷金將「彭羅斯定理」或「彭羅斯奇點」推廣到宇宙,整個宇宙在自身引力坍塌的過程中最終形成宇宙奇點。牛頓將引力作用從地球推廣到宇宙天體,同樣,雷金將黑洞奇點推廣到宇宙奇點,黑洞和宇宙奇點的形成符合物理哲學機理論的等效原理。黑洞是微小的「小宇宙」,宇宙是超級的「大黑洞」,通過黑洞物理學揭示宇宙物理學的奧秘,黑洞與宇宙起源存在關聯,這是科學家和大眾科學人士熱衷於黑洞奧秘的原因之一。1927年,比利時牧師、物理學家勒梅特最早構想了動態模式的宇宙大爆炸概念,1946年,俄裔美籍物理學家伽莫夫第一次提出了系統性的宇宙大爆炸理論,細緻而完整地揭示了宇宙從誕生後的不到1秒到今日宇宙大約137多億年的演變進程。霍金的「宇宙奇點」理論彌補了伽莫夫宇宙大爆炸理論的不足,然而,對黑洞和宇宙奇點的描述、對宇宙史的認識遠未到「科學的終結」時候。

宇宙學和物理學未列入榜單的其中之一問題是,為什麼恆星和星系級的黑洞和奇點穩定、而宇宙級的黑洞和奇點不穩定?宇宙大爆炸理論證明了宇宙奇點的不穩定,「霍金輻射」證明了黑洞奇點的穩定性。為什麼宇宙奇點在不穩定的量子漲落中發生了大爆炸、而黑洞奇點在穩定的量子漲落中未發生大爆炸?如何從物理學認識化解穩定黑洞奇點和不穩定宇宙奇點的悖論性?黑洞奇點穩定性的表現之一是它不存在「臨界質量」,既沒有理論預期的最小質量黑洞,也沒有理論判斷的最大質量黑洞,最小和最大的黑洞質量符合物理哲學無邊界性的等效原理。黑洞的「史瓦西半徑」僅與它的質量有關,小質量黑洞對應小引力半徑、或小視界,大質量黑洞對應大引力半徑.、或大視界。物理學家霍金預言了宇宙極早期「微型黑洞」的存在,它的史瓦西半徑相當於一個基本粒子、亞基本粒子的尺度,它的質量相當於數十萬到數億噸,或地球上的一座大山被壓縮成了微型黑洞。天文學家在銀河系發現了中等質量的黑洞,在銀河系中心發現了相當於太陽質量400萬倍的超大質量黑洞,到目前為止,他們未能證實微型黑洞的存在,未能確定最大質量的星系黑洞。天文學家曾經發現相當於太陽質量50億倍的超大質量黑洞,恆星和星系級黑洞似乎存在質量界限。

恆星和星系級黑洞形成了超穩定結構,原子和黑洞結構符合自然哲學穩定論的等效原理。宇宙物質最小的原子結構和宇宙天體最大的黑洞結構穩定性相似,最小和最大物體結構穩定性的等效關係決定了可觀測宇宙的相對穩定性。一些天體物理學家相信,50億倍太陽質量的超大黑洞達到黑洞質量的上限,超過了黑洞的「臨界質量」,不會發生黑洞爆炸,黑洞視界附近的吸積盤將會發生不穩定的崩潰,黑洞的質量將停止增加。假如宇宙學的「伽莫夫—霍金模型」正確,那麼起源於「超級奇點」的宇宙大爆炸理論支持了黑洞「臨界質量」的設想,宇宙級黑洞或奇點的臨界質量、或「錢德拉塞卡極限」相當於宇宙總質量,其中既包括可見物質和能量部分,也包括不可見的暗物質和暗能量部分。黑洞質量達到一定程度會不會發生大爆炸?宇宙大爆炸是不是黑洞爆炸?以自然哲學的廣義等效原理為依據回答這一問題,現有的黑洞物理學可以延伸到宇宙物理學,可觀測宇宙的史瓦西半徑大約為1500億光年,實際觀測的宇宙半徑大約為460億光年,根據「史瓦西法則」, 我們的宇宙是一個「超級黑洞」,裡面看得清,外面看不見。宇宙起源於宇宙奇點的「伽莫夫—霍金模型」表明,宇宙總質量是黑洞的臨界質量、或「錢德拉塞卡極限」。天文學家從未發現「黑洞大爆炸」,可能是因為它們彼此孤立,沒有通過黑洞的無限合併達到宇宙總質量的程度。

(宇哲手稿:2O2O年1月13日)

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