是否有比黑洞密度更大的物質?科學家說還真有

2020-12-05 科學美少男

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

比黑洞密度更大的物質是什麼?要回答這個問題,我們需要清楚黑洞是什麼?是天體嗎?

不,不是的。如果奇點的理論是正確的,那麼真正蘊含物質的是黑洞中心的那個奇點,而黑洞只是以奇點為中心的一個空心球體,只是這個球體中的時空極度扭曲,導致光都無法逃脫,黑洞內的信息無法通過光反射出來,讓我們的眼球接收,所以它看起來是黑的,於是我們叫它黑洞。由此,我們可以發現黑洞其實是扭曲的時空+奇點,而天體是奇點。

很多人並不真正理解什麼是黑洞,所以我先澄清這個問題,才能繼續說黑洞密度的問題,那麼此刻問題就變成了兩個問題:(1)比奇點密度更大的物質是什麼?(2)比扭曲的時空+奇點更大的物質是什麼?

我們先說說奇點:

黑洞是大質量恆星演化的產物,在漫長的歲月中,恆星由於質量巨大,所以引力也巨大,而引力產生的巨大壓力,使恆星中的物質發生核聚變反應產生大量的能量來抵抗引力坍縮,從而使得恆星沒有因為引力立刻收縮成奇點。

奇點是數學定義上的一個點,也可以理解為無法解釋的一個點,這有點像被零除(註:並不是說奇點是除以零,而是就像除以0),這點表達的意思是存在於我們預測自然界發生的事情的能力的極限。所以在物理學中的定義為時空扭曲程度無限高,體積無限小的點。

物質的密度為質量除以體積,當巨大的質量被無限小的體積除,我們能得到的結果就是密度無窮大。由此我們可以得出沒有比奇點密度更大的物質,不過奇點並不只是存在於黑洞中,宇宙大爆炸理論也源於奇點。

通過物質層面來考慮的話,宇宙的奇點造就了萬物。而黑洞可以看作宇宙奇點的倒放,吞噬萬物。不過,黑洞也只是萬物中的一員,即使它一直在吞噬宇宙中的物質,那也只是宇宙中的一部分。

在現代量子力學中宇宙奇點是一個從虛無中誕生的點,而黑洞是由實變虛,從根源上有很大差別,所以宇宙奇點不等同於黑奇點,也造就不了是黑洞,本身也不是黑洞,於是就有了可比性。

同樣是一個無限小的點,但是因為宇宙奇點質量更大,包含無數黑洞奇點,所以宇宙奇點密度更大,除此之外,在我們目前對宇宙的了解,就沒有其他物質密度可以比黑洞更大了。

扭曲的時空+奇點更大的物質是什麼?

這個問題通過上面敘述已經有兩個解了,宇宙奇點和黑洞奇點。黑洞的質量都存在於奇點,而黑洞的體積卻大於奇點,密度自然是比奇點小。

除了奇點,還有什麼物質?黑洞的半徑是光逃不出的半徑,在這半徑內為黑洞的視界,通過史瓦西半徑公式我們可以發現黑洞半徑與奇點質量成正比。

換句話說:如果質量增加一倍,半徑也將增加一倍。但是跟密度相關的是體積,而黑洞是一個球體,所以黑洞體積隨半徑的立方增加。當質量加倍,半徑加倍,但地平線內的體積則加八倍。兩倍的質量除以8倍的體積,最終,黑洞的密度減少4倍。

如果黑洞質量增加2倍,則是3M/3Rx3Rx3R,密度減少6倍。

可見黑洞的密度為黑洞跟質量成反比,為平方關係,隨著黑洞體積按立方增大,黑洞的密度按平方減小,由此可以比黑洞密度更大的物質是質量更小的黑洞①。

我們還可以由此判斷出:如果有一種物質的密度比黑洞大,那麼該物質與黑洞質量相同的情況下,半徑必然要小於史瓦西半徑,而光速平方和半徑成反比。因為光速c為視界邊緣的逃逸速度臨界值。

可以得出如果某個物體的逃逸速度可以大於光速,那麼該物體的密度必然大於黑洞。然而,愛因斯坦在《狹義相對論》中描述光速是不變的,並且光速也是靜態質量不為零的物質無法超越的,所以並不存在密度大於黑洞的其他物質(奇點除外)。

從邏輯上講,任何物體的密度都不可能超過黑洞,如果具備密度更大的條件,那麼它必然是一個黑洞,只是質量更小而已,由①可以得到該結論。

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