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

這一問題從不同角度可以得到不同的答案。

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？

簡單來說，是大爆炸初期飛速地膨脹而避免了陷入黑洞，而且膨脹的速度正在減慢。在時空不平坦時，空間自身可以是平坦的。時空的扭曲可能僅由於其中的時間部分而造成，而時間是描述宇宙膨脹的量之一。因此，總的時空扭曲是由物質的密度造成，但其中也有空間扭曲的貢獻，正如宇宙的膨脹。希瓦茲凱爾德的重力公式的靜態解釋展示了一個靜態球體在坍縮成為黑洞前必須達到的極限。但希瓦茲凱爾德極限並不適用於迅速膨脹的物質。

大爆炸模型和黑洞之間的區別是什麼？

常見的大爆炸模型是Friedmann-Robertson-Walker (FRW)對廣義相對論中重力場公式的解釋。這些模型可以用來描述開放或關閉的宇宙。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？

第一個明顯的不同是FRW模型中的大爆炸奇點存在於過去所發生的事件中，而黑洞奇點存在於未來。因此大爆炸更像是一個『白洞』：倒播版本的黑洞。根據經典廣義相對論，白洞應是不存在的，因為它們就像黑洞不可被破壞一樣是不可被生成的。但這也許不適用於白洞自始一直存在的情形。

但標準的FRW大爆炸模型與白洞也是不同的。白洞具有一個和黑洞相反的事件穹界。任何物質不能進入這一穹界，正如任何物質無法逃出黑洞的事件穹界。簡單來說，這是白洞的定義。注意FRW模型可以比較明顯地與黑洞或白洞模型，如靜態的希瓦茲凱爾德模型和旋轉的克爾模型區分開，但它較難和通俗的黑洞或白洞模型區別。主要的區別是FRW模型中的事件穹界與黑洞或白洞的定義不同。在白洞的事件穹界之外的世界線可以向過去永久延申且不接觸奇點，但FRW的宇宙理論中所有的世界線都從奇點發出。

那麼，大爆炸是不是一個黑洞或白洞呢？

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。黑洞的奇點存在於未來，但至今對宇宙的觀測顯然證實了大爆炸是過去發生的。所以大爆炸是一個白洞的可能性依然存在。

FRW宇宙論中的主要假設是宇宙是宏觀均勻且各項同性的。也就是說，在一定時間從任何位置向任何方向觀察宇宙都是宏觀一致的。這一點從宇宙中數億光年內的星系的分布非常均勻且各向同性可以得到證明。各項同性的宇宙背景輻射也是是宇宙均勻性的強大證實，但我們對宇宙的可觀測範圍被光速和宇宙的年齡所限制。我們可以觀測到的範圍大約為100-200億光年，大約是星系分布結構的100倍。

宇宙的分布均勻性一直是一個被爭論的話題。宇宙的大小可能是我們所能觀測到的範圍的數倍，當然也可能是無限大的。天文學家馬丁·裡斯形容我們對宇宙的觀測就像是從大海中航行的船上能向四周觀測的範圍。當我們的視野超越近處波浪時，我們看到的是沒有多少細節的，無限延伸的海面。

在船上所看到的地平線只有幾英裡遠，但大海卻向四周延伸出至少幾百英裡。在地球上，即使我們以最先進的望遠鏡看向宇宙，我們的視野也會被限制在有限的範圍之內。不論視野內的觀測結果如何，我們都不能假設同樣的結果一定會延伸到我們的視野之外。因此宇宙的均勻性在我們觀測範圍之外的浩瀚空間中並不是一定的。我們也許可以從邏輯上推測它的存在，但還無法證實。

所以，我們必須提問，是否有一個像FRW模型符合觀測那樣準確的宇宙白洞模型？人們一開始認為這個問題的答案是否定的，因為白洞（像黑洞那樣）會形成對不同方向拉伸和壓縮的潮汐力。因此它們與我們所觀測到的結果都不同。但這不能作為定論，因為這隻對不存在物質時的黑洞的時空成立。在恆星內部，潮汐力可以不存在。

一種符合宇宙觀測的白洞的模型是對於恆星坍縮而形成黑洞的過程的反向進行。一個比較準確的簡化是我們可以忽略壓力，將恆星看作一團除重力外不具有內力球形塵雲。恆星的坍縮已經有了大量的研究，在1939年斯奈德和奧本海默發表的研究明確地解釋了這一簡化的情形。在沒有壓力時，恆星的坍縮可以被精確地以FRW解釋描述其內部，以希瓦茲凱爾德解釋描述其外部。恆星內部的時空在坍縮期間保持均勻和各向同性的狀態。

接下來的問題是，如果上述的塵雲星球大於我們所能觀測到的宇宙的範圍，這一反向坍縮的星球的模型並不能與FRW模型區分。換句話說，我們並不能完全消除宇宙是一個巨大的白洞的可能，直到數十億年後我們可以觀測到宇宙的邊界的情形。

我們必須認識到如果去掉對於宇宙均勻性和各向同性的假設，將會有很多不同的、甚至奇怪的宇宙模型存在。這使得對宇宙推斷出確切的結論變得非常困難，但這從未成為阻止一些勇於想像的天文學家思考的理由。其中最令人興奮的模型是C. Hellaby 在1987年提出的，他設想宇宙中由大量分別爆炸的，但最終融合成為一體的白洞形成。這一猜想僅由廣義相對論中的一條公式即可推導。

這裡將是對這一問題的最後一次討論。斯蒂文霍金認為量子理論的引入將使得白洞和黑洞的區別變得不那麼明顯。這是由於在『霍金輻射』的機制中，黑洞將會失去物質。（相對論FAQ中霍金輻射的章節有描述。）一個在周邊輻射中保持著熱量守恆的黑洞可能在時間中是對稱的，即它與白洞是相同的。這一理論至今仍有爭議，但一旦成立，將意味著宇宙既是黑洞也是白洞。也許事實將會更加奇怪，但誰知道結果呢？

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. math-然

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