大爆炸是否創造了大量的微型黑洞?

2021-01-15 李論科學

「如果你總是在生氣或著抱怨,沒有人會在你身上花時間。」——霍金

當我們抬頭仰望星空,給我們印象最深刻的就是來自宇宙的光明!這些光大部分來自恆星、星系、星系團,並且覆蓋了我們所能測量到的不同波長。

但是在宇宙中並不總是存在恆星、星系和星團。實際上在宇宙「誕生」之處,密度最大的地方只比平均密度高千分之一。即使是在密度最大的地方,引力也需要數千萬年的時間才能形成第一批恆星。而宇宙中也有一些質量很大,體積又小,還不放光的物體,那就是黑洞!那麼宇宙中是否存在大量的微型黑洞?而這些原始微型黑洞就充當了暗物質的作用?首先我們了解下宇宙有沒有條件在誕生是創造這些微型黑洞!

微波輻射中大小尺度下的溫度波動

我們關於宇宙的最早的照片是在宇宙還非常年輕的時候拍攝的:那時宇宙只有38萬年的歷史!這裡說的就是宇宙微波背景輻射(下圖),其中的「冷」點(藍色)和「熱」點(紅色)代表了從一個位置到另一個位置宇宙微波輻射中溫度波動的「千分之一」的差異。

藍色也代表了物質密度較高的區域,紅色也代表了物質密度較低區域!溫度波動就反應了物質密度的差異。

所以這張圖片不僅僅是一幅宇宙早期的快照,它還為我們提供了一些關於早期宇宙最好的數據。

我們可以在不同的尺度上觀察溫度差異的大小。在大規模結構中的溫度波動會更大?還是在小尺度上溫度波動更大?

正如我們所看到的,如果調整宇宙中暗物質的數量,微波輻射的波動形狀也會隨之發生改變!我們可以對普通(原子)物質、暗能量、中微子等做類似的模擬。就能知道宇宙中各個物質的組成成分佔比是多少。

通過對微波輻射的觀察我們還發現在最小的非宇宙尺度上,微波輻射的波動不會隨著尺度的變化而變化,這意味著溫度波動在所有尺度上都是千分之一。

如果波動在非常小的尺度上非常非常大,說明宇宙在一開始就存在物質密度極高的微小區域,而這些微小區域就會不可阻擋地率先塌縮,形成於其他區域毫無關係的微小結構,我們可能就會得到一個充滿自由小黑洞的宇宙,這些黑洞的大小將從木星大小到亞原子大小不等。

但是我們的觀察結果不支持宇宙中存在微小黑洞的觀點,但也不足以完全排除微小黑洞存在過。這些微小的黑洞在物理上比單個原子還小,但質量相當於1000輛汽車。

量子力學下也不會存在微型黑洞

即使是宇宙在誕生是創造了很多微型黑洞,但它們現在都應該消失了,因為黑洞的質量會通過量子力學的作用慢慢蒸發!

在量子力學裡真空本身存在著粒子-反粒子對,這會導致黑洞通過霍金輻射的過程緩慢地向外輻射質量。

黑洞越小越輕,蒸發得越快!而一個亞原子大小的黑洞,蒸發時間大約是兩分鐘!

據我們所知,所有的證據都表明原始黑洞並不存在。微型黑洞只是一個有趣的理論玩具,沒有任何理由表明這些黑洞真的存在。此外,如果它們確實存在過,將遵循量子力學定律,會在很短的時間內蒸發掉。

總結:暗物質不可能是由微型黑洞構成的

總而言之,如果沒有量子力學,並且讓所有的暗物質成為這些數千噸重的黑洞,那麼我們就會發現宇宙中到處都是「微型黑洞」。或者,至少每天有一兩個這樣的黑洞會經過地球。而我們苦苦尋找的暗物質就是這些原始黑洞!但是我們有量子力學,微波輻射的觀測也不支持微型黑洞的存在。而暗物質依舊是標準模型之外的粒子。

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  • 宇宙中是否存在大量微型黑洞?它們和暗物質有啥關係?
    本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文黑洞和暗物質乍一看,貌似也沒啥關係啊!其實它們還是有點淵源的。這裡就有個故事,在上世紀70年代,有個原始微型黑洞也就是量子黑洞的概念,這些微型黑洞當時就被認為大量存在於宇宙中,也構成了暗物質的一部分!也就是說宇宙大爆炸時期創造了這些微型黑洞!
  • 暗物質由大爆炸的微型黑洞組成?
    暗物質是宇宙中神秘的「額外質量」,它不會發出光,諸多特性一無所知,有可能是由宇宙大爆炸產生的原始黑洞構成嗎?這些迷微型黑洞可以感謝希格斯玻色子的誕生——至少根據一種新理論。3月23日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌上的這一理論認為,這些原始黑洞是由在大強子對撞機(LHC)中發現的神秘的「上帝」粒子——希格斯玻色子(Higgs boson)產生的。暗物質是什麼?沒有人真正知道,但一種可能性是由大爆炸的微型黑洞組成。
  • 暗物質是由大爆炸的微型黑洞組成?
    暗物質是宇宙中神秘的「額外質量」,它不會發出光,諸多特性一無所知,有可能是由宇宙大爆炸產生的原始黑洞構成嗎?這些迷微型黑洞可以感謝希格斯玻色子的誕生——至少根據一種新理論。3月23日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌上的這一理論認為,這些原始黑洞是由在大強子對撞機(LHC)中發現的神秘的「上帝」粒子——希格斯玻色子(Higgs boson)產生的。暗物質是什麼?沒有人真正知道,但一種可能性是由大爆炸的微型黑洞組成。
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  • 大型強子對撞機是否能夠製造出微型黑洞?
    微型黑洞是否存在剛才我們分析的是宇宙中可以被間接觀測到的大型黑洞的形成過程。於是科學家們提出了「微型黑洞」的猜想,主要觀點就是隨著宇宙大爆炸的進行,可能存在著許多能量密度非常大的微小區域,足以克服宇宙向外的膨脹力,當這個微小區域的能量密度比周圍區域明顯高出許多時(68%以上),就會發生劇烈的塌縮現象,從而形成一個質量和密度非常大的奇點,成為「微型黑洞」的中心。
  • 粒子加速器中產生的微型黑洞會吞食掉整個地球嗎?
    但是這些黑洞的質量都非常大,形成的原因也完全歸結為自身的引力坍縮。實際上在首次觀測到黑洞之前,物理學家就預言了微小質量黑洞的存在。這些微型黑洞的質量可以小到一個足球的質量,甚至於小到普朗克質量10^-5 g。
  • 科學家創造微型黑洞證實
    北京時間6月4日消息,據國外媒體報導,在第一張黑洞照片證實了愛因斯坦提出的理論之後,科學家開始驗證已故科學家史蒂芬·霍金的研究理論。在《自然》雜誌上發表的一篇論文中,科學家表示,我們現已證實了霍金的同名理論——「霍金輻射」。
  • 它能否在額外維度撞出微型黑洞?
    這一撞不僅使我們創造出了大量難以捉摸的基本粒子(如頂夸克,以及w和z玻色子),而且使我們發現一個全新的基本粒子,也是標準模型中最後一個未被發現的粒子:希格斯玻色子。為什麼創造微型黑洞必須要有額外維度呢?我們知道三維空間並不是連續的,也不能無限的分割,普朗克最小尺度為:1.6x10-33釐米。在這個尺度上兩個質子相撞,所攜帶的質量不足以形成黑洞。雖然我們不能以目前的探測能量獲得這些額外維度,但可以想像,在比我們所能探測到的更小的尺度上(對應更高的能量)這些更小的額外維度是存在的。
  • 隱藏在太陽系邊緣的神秘天體可能是微型黑洞!
    新研究:隱藏在太陽系邊緣的神秘天體可能是微型黑洞!在太陽系邊緣,科學家信誓旦旦存在神秘的第九行星,其巨大引力可解釋太陽系邊緣種種異常軌道現象。然而現在一篇新研究表明,假想的第九行星可能根本不是行星,而是大爆炸後不久就存在的微型黑洞。
  • 微型黑洞無處不在?假如大型強子對撞機製造黑洞,會威脅地球嗎?
    除了以上的黑洞,我們應該還聽說過微型黑洞微型黑洞的概念是在上世紀70年代被提出來的,一些人認為,在宇宙早期高溫、緻密的狀態下,如果物質密度在非常小的尺度上存在不均勻現象,也就是這個極小區域的密度高於平均密度的68%,那麼在這些小尺度上就會在引力的作用下形成微型黑洞。
  • 宇宙驚悚事實:微型黑洞竟無處不在!
    也因此研究人員們開始懷疑我們被138億年前形成的無數黑洞包圍了。NASA的宇宙學家Alexander Kashlinsky先前曾說過:「從光譜的暗物質這邊來看,很多可能性立刻就降低了。如果我們什麼也沒有找到,那麼我們也許正處於科學危機中。」
  • 「黑洞」的力量是湮滅還是創造?
    「黑洞」在宇宙中因具有湮滅一切的力量而聞名。其實黑洞也具有「創造的力量」。「黑洞」在宇宙中因具有湮滅一切的力量而聞名,其實黑洞也具有「創造的力量」。科學家研究認為,黑洞給大爆炸後產生的雜亂物質帶去了秩序,是名副其實的宇宙秩序建築師。
  • 黑洞奇點和大爆炸奇點有什麼區別?
    大爆炸奇點是一個體積為零的點,但質量很大,這使得密度極高。大爆炸(bing)這個奇點包含了宇宙中的全部物質和能量。大爆炸的最初時刻仍然是個謎。然而,天文學家和物理學家相信,在最短的那幾分之一秒之後,強大的核力和電磁力便分開了,這很可能導致宇宙開始膨脹。大爆炸創造了空間、時間和我們現在所知道的全部物質和能源。
  • 黑洞奇點和大爆炸奇點有什麼區別?
    大爆炸的最初時刻仍然是個謎。然而,天文學家和物理學家相信,在最短的那幾分之一秒之後,強大的核力和電磁力便分開了,這很可能導致宇宙開始膨脹。大爆炸創造了空間、時間和我們現在所知道的全部物質和能源。黑洞奇點是在一顆質量非常大的恆星的核心坍塌出一個事件視界後形成的。由於這些奇點是極小的,他們擁有無限的密度。
  • 宇宙大爆炸是一個黑洞?看看科學家們給出的答案!
    為什麼宇宙在一開始沒有坍縮並變成一個黑洞?有時人們難以理解為什麼宇宙大爆炸不是黑洞。無論如何,在大爆炸初的一瞬間,物質的密度遠大於現有的任何一顆恆星,高密度的物質將會強烈地扭曲時空。在一定的密度下,在希瓦茲凱爾德半徑內將有足夠質量的物質形成黑洞。然而,大爆炸卻沒有陷入自身形成的黑洞中,而且矛盾的是,在奇點附近的空間是平坦的,並沒有被強烈扭曲。這是為何?
  • 黑洞是否存在?恆星死亡後去哪了,地球來源於宇宙大爆炸?
    首先我們要明白一個定義,那就是當前接受的大爆炸理論並不是闡述大爆炸本身的理論,而只是闡述大爆炸後結果的理論。換句話說就是當前的理論基礎是建立在爆炸後的宇宙格局基礎上,但並不一定適用於爆炸之前的宇宙。我們為什麼不追朔到宇宙誕生的起點去分析?
  • 黑洞吞噬地球的危險-科學實驗中所產生的微型黑洞能否吞噬地球?
    我們知道科學實驗對撞機有可能會產生微型黑洞,類似原子般大小的黑洞。微型黑洞不引入矚目,能悄悄地將很多物質都吃掉了,是個危險源?其實這個問題也困擾過科學家,但被霍金解決了。霍金髮現了黑洞輻射,就是黑洞在悄悄蒸發它的質量。
  • 宇宙大爆炸後第一個超大型黑洞是如何迅速形成的?
    大多數科學家認為時空起源於宇宙大爆炸。宇宙從那個又熱又密的開始膨脹和冷卻,但過了一段時間恆星和星系才開始點綴天空。直到大爆炸後38萬年,原子才聚集在一起,並以氫氣為主充滿宇宙。當宇宙只有幾億歲的時候,這些氣體聚合成最早的恆星,形成星系團聚集成星系,其中最古老的出現在宇宙誕生後4億年。令他們驚訝的是,科學家們發現在這一點上另一類天體也開始出現:類星體。
  • 穿越宇宙末日的黑洞
    黑洞的奇異家族黑洞是引力所創造的奇蹟,是光都無法從中逃出的無底洞。宇宙中有著各式各樣的黑洞,有些是大質量恆星走到生命盡頭、經歷一場超新星爆發後留下的遺骸;有些則藏身在星系中心,擁有相當於數十億個太陽的龐大質量。理論物理學家推測,大型強子對撞機也有可能製造出微型黑洞來。還有一種黑洞是在宇宙誕生之初,在大爆炸之時的極端高密度條件下產生的,所以被稱為原初黑洞。
  • 宇宙大爆炸是一個黑洞嗎?科學家給出了自己的答案,看完恍然大悟
    所有FRW描述的模型中的起始都有一個表示大爆炸奇點。黑洞同樣有奇點,另外,關閉的宇宙中,沒有光可以逃逸,這也正是黑洞的定義。那麼黑洞和大爆炸的不同點在哪裡呢? 在前面的文章中我一直謹慎地討論,標準的FRW大爆炸模型與黑洞或白洞有所不同。但真實的宇宙可能與FRW宇宙不同,至此,我們可以消除它是一個黑洞或白洞的可能性了嗎?我不會繼續進一步討論如奇點是否真實存在的問題,我將會假設廣義相對論是正確的。 在之前對於大爆炸是一個黑洞的爭論依然存在。