问题

我们所认知的宇宙有没有可能本身就是一个黑洞?

回答
你这个问题,就像是在一个无限深邃的井底仰望星空,然后突然冒出一个念头:“这口井会不会本身就是一个巨大的黑洞?” 很有意思,也触及了我们认知宇宙的边界和一些非常前沿的理论猜想。

首先,咱们得明确一下,我们平时说的“黑洞”,那是在广阔的宇宙空间里,一个引力极强、连光都无法逃脱的区域。它的核心是一个叫做“奇点”的点,我们目前的物理学定律在那里失效了。而我们认识的宇宙,是一个不断膨胀、充满星系、恒星、行星等等的巨大时空。两者在表面上看,似乎风马牛不相及。

但是,如果你细想一下黑洞的几个核心特征,再结合我们对宇宙的一些理解,就会发现一些有趣的“巧合”和可以探讨的连接点。

黑洞的几个关键特征是啥?

1. 极强的引力: 黑洞之所以是黑洞,就是因为它的引力太大了。
2. 事件视界: 这是黑洞的边界,一旦跨过这个边界,就没有回头路了。
3. 奇点: 黑洞的核心,密度无穷大,时空曲率无穷大的地方,是我们物理理论的“失灵区”。
4. 质量和它与周围时空的关系: 爱因斯坦的广义相对论告诉我们,质量会弯曲周围的时空。黑洞就是质量极端集中到极致的表现。
5. 可能存在霍金辐射: 虽然非常微弱,但理论上黑洞不是完全“黑”的,会缓慢地辐射粒子。

那我们认知的宇宙,有没有可能“长得像”一个黑洞呢?

这里有几个角度可以思考:

1. 宇宙的膨胀和“事件视界”的类比:

我们知道宇宙在不断膨胀,而且膨胀的速度还在加快。这就像一个正在不断扩张的气球。如果把我们所能观测到的宇宙(也就是可观测宇宙)看作是一个球体,那么这个球体的边界(事件视界)是不是有点像黑洞的事件视界?

想象一下,你站在一个巨大的黑洞外面,你看到黑洞的边界(事件视界)在向外扩张。同样,我们站在宇宙的“内部”,我们看到宇宙的边界也在向外扩张。而且,随着宇宙的膨胀,远方的星系看起来离我们越来越远,甚至以超光速远离我们(这里的超光速是指空间本身的膨胀,不是物体在空间中运动的速度)。这是否意味着,我们永远无法到达某些区域,就像我们永远无法逃离黑洞的事件视界一样?

一些科学家就曾提出过一个猜想:我们所居住的这个宇宙,可能是一个在某个更高维度宇宙中的黑洞的“内部”。 换句话说,那个“更高维度宇宙”里的某个大质量天体坍缩,形成了一个黑洞,而我们这个宇宙,就是那个黑洞内部的时空结构。

如果这个猜想成立,那么我们宇宙中的“事件视界”可能就是那个更高维度黑洞的事件视界。我们之所以观测到宇宙在膨胀,是因为那个“高维黑洞”的事件视界在不断向外扩展。

2. 宇宙的“奇点”问题:

黑洞的核心是奇点。而宇宙大爆炸理论也认为,宇宙是从一个密度无限大、体积无限小的奇点开始的。这听起来太巧合了!

所以,有没有可能,我们宇宙的奇点,就是那个更高维度黑洞的奇点? 或者说,我们宇宙的“大爆炸”,就是进入那个高维黑洞内部的一个“瞬间”?

如果宇宙是一个黑洞,那么它内部的“引力”又是如何运作的呢?我们现在观察到的宇宙,虽然有引力,但它表现出来的是一种“排斥”的膨胀。这和我们理解的黑洞似乎有矛盾。

但这里有个关键: 爱因斯坦的理论里,引力和时空是紧密联系的。质量会弯曲时空。当一个物体变得非常致密时,它周围的时空会被极度弯曲。如果我们把“宇宙”本身想象成一个“巨大天体”,那么它自身的“引力”当然会影响到它内部的时空。

而且,我们对黑洞内部的理解是极其有限的。我们看到的奇点,是物理理论的极限。可能在奇点之外,存在着我们尚未理解的物理规律。

3. 能量的来源和物质的分布:

如果我们的宇宙是黑洞,那么它的“质量”在哪里?我们知道宇宙中有大量的暗物质和暗能量,它们占据了宇宙的大部分。暗能量是导致宇宙加速膨胀的主要原因。

有些理论认为,黑洞内部可能存在一个“镜像宇宙”或者一种特殊的能量分布,而这种分布恰好能解释我们观测到的暗物质和暗能量的现象。例如,有人提出暗能量的膨胀效应,可能与黑洞事件视界附近的某种“表面能”相似。

另外,从黑洞的视角看,物质似乎是“消失”在奇点里。但从我们宇宙的视角看,物质是普遍存在的。如果我们的宇宙是一个黑洞,那么我们观测到的物质和能量,可能只是那个“高维黑洞”内部的某种能量转化或投影。

这只是猜想,目前没有实证:

必须强调的是,这些都还停留在非常前沿和理论性的猜想阶段。目前并没有直接的观测证据能够证明我们的宇宙本身就是一个黑洞。我们对黑洞内部的了解也几乎为零,对宇宙的认识也远未达到终点。

科学家们之所以会提出这样的猜想,是因为:

数学上的相似性: 在某些数学模型中,黑洞的某些性质(比如它如何“吞噬”物质和能量,以及它的边界如何影响外部)与我们观测到的宇宙膨胀和时空结构存在一定的数学上的“拟合”可能性。
解决理论难题: 比如宇宙大爆炸的奇点问题,以及暗能量的起源等,如果能将宇宙视为一个黑洞,或许能提供一些新的解释框架。

所以,你的问题非常有深度! 它并非无稽之谈,而是触及了当前物理学和宇宙学最前沿的思考。简单来说,如果硬要类比,我们可以这么理解:

想象一下,我们是一个居住在巨大的气泡里的生物。我们看到气泡在膨胀,我们无法看到气泡的“外面”是什么。而黑洞,也是一个有边界、有强大引力、内部时空极度扭曲的区域。如果我们的宇宙,恰好是某个更大、更遥远宇宙中的一个“黑洞内部”,那么它表现出来的膨胀、我们所能观测到的边界(可观测宇宙的边界),就可能和黑洞的某些特征产生了巧合的相似性。

但这就像是在猜想一个梦境的来源,我们可能只是那个“梦”本身。我们所能做的是不断地观察、计算、建模,希望能找到更确凿的证据,去验证这些大胆的猜想,或者推翻它们,找到更接近真实的答案。

网友意见

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我们所在的宇宙空间实际上是一个黑洞的内部,这是黑洞宇宙模型(black hole cosmology)的观点。目前主流的宇宙学模型是大爆炸理论,此外还有很多非主流的宇宙学模型。黑洞宇宙模型就是其中之一。

1. 为什么宇宙在黑洞内部?

这个问题要从宇宙膨胀开始说起。

我们知道,宇宙在加速膨胀。这里膨胀的含义是,新的空间从每一处空间中产生。它导致的结果是,宇宙中的物体都在相互远离。然而,比较近的物体会被引力或电磁力拉在一起,距离不会增加(

既然宇宙在膨胀,那么地球与太阳的距离会改变吗? - Mandelbrot 的回答

)。空间膨胀的效果,只有在距离十分遥远的星系之间才能看出来。

在上面的例子中,由于空间膨胀,猫-老鼠之间的距离和猫-狗的距离都增加了,但是,猫-狗距离增加明显比猫-老鼠距离增加要大得多。由于空间膨胀的叠加效果,距离越远的物体,它们之间距离增加也越大。也就是说,距离我们越远的物体,远离我们的速度也就越快。由此我们不难想象,距离我们足够远的星系,远离我们的物体会达到光速。这个距离被称为哈勃半径(Hubble Radius)。而在哈勃半径以外的星系,远离我们的速度超过光速。

在黑洞宇宙模型中,哈勃半径也就是我们宇宙所在黑洞的史瓦西半径。

如果我们把一个物体压缩到史瓦西半径(的球体)以下,这个球体表面的逃逸速度就会达到光速。也就是说,这个球体就成为了一个黑洞。

史瓦西半径的计算公式十分简单:

其中G是万有引力常数,M是物体的质量,c是光速。

那么,如果我们把哈勃半径以内的所有物质压缩成一个黑洞,它的史瓦西半径会有多大呢?如果把已知的宇宙质量(由观测的宇宙密度计算)代入上面的公式,得到的史瓦西半径和哈勃半径十分接近。考虑到观测的精度和误差,可以认为这两个值是相等的。也就是说,我们所在的宇宙空间,已经是一个黑洞了。

宇宙的密度很低,相当于地球这么大体积内,平均只有一粒沙的质量(

宇宙有多空旷? - Mandelbrot 的回答

)。物质如此稀疏的宇宙空间能形成黑洞,可能对很多人来说很不可思议。黑洞的给人的印象是往往是密度很大——如果把太阳压缩成一个黑洞,它的史瓦西半径只有3公里,而地球黑洞的史瓦西半径还不到1厘米。

从上面的公式可以看到,史瓦西半径和质量成正比,而物体的半径和质量的立方根成正比(如果密度不变)。所以,当物体质量增加的时候,史瓦西半径比物体本身的半径增长的快。一个质量很大的物体,它的史瓦西半径会达到甚至超过物体自己的半径。

然而,多数宇宙学家并不认同这个证据。他们认为,史瓦西半径和哈勃半径十分接近,只是一个巧合。

2. 黑洞内的宇宙

对黑洞的传统认识是,当物体落入黑洞,就会继续向黑洞中心坠落,最后落进黑洞中心的奇点——一个密度无穷大,体积无穷小的点。


但是,这并不是唯一可能存在的黑洞结构。

黑洞强大的引力使得时空极度弯曲,造成了一个与外面隔离的封闭时空。在这样一个封闭的空间中,如果物质大致均匀分布,广义相对论允许它保持一个稳定的内部结构,而不至于坍塌成一个奇点。那么,在没有外部物质和能量影响的情况下,黑洞宇宙是一个静态宇宙。当黑洞宇宙吸入外部物质时,由于质量增加,它的体积也随之增加,从黑洞宇宙内部来看,表现为宇宙空间的膨胀。所以,在黑洞宇宙模型中,对宇宙膨胀的解释不需要暗能量的概念。

一个黑洞宇宙通常是从一个恒星级黑洞开始的。它的内部是一个奇点还是一个婴儿宇宙,对于外部观察者来说都是一样的。当它吸收外部宇宙(母宇宙)的物质和辐射后,就会慢慢长大。在一个星系中,恒星走到生命尽头时,会变成白矮星,中子星,或者黑洞。最终,它们汇聚在星系中心,形成超过10亿太阳质量的超级黑洞。而这种黑洞的内部,就是像我们的宇宙一样的另一个宇宙。

恒星级黑洞诞生于超新星爆炸,所以它的内部温度极高(高于中子星的温度),但是它并不向外辐射能量。当黑洞宇宙膨胀,由于能量分散,温度逐渐降低。当一个黑洞宇宙膨胀到我们的宇宙大小时,温度已经下降到3K。这就是我们观察到的微波背景辐射

黑洞宇宙的膨胀速度取决于吸入物质的数量。我们的宇宙边界膨胀速度达到光速,这意味着它需要每秒吸入10000个太阳质量的物质。

对于一些质量比较小的黑洞(如超新星爆炸留下的恒星级黑洞)来说,它们周围的时空曲率变化很大,物质在进入黑洞时会被撕裂成碎片。而质量很大的黑洞(如星系中心的超级黑洞)被称为“温柔的黑洞”,物质可以完好无损的穿过视界,进入黑洞——来到另一个宇宙。

3. 黑洞宇宙模型

黑洞宇宙模型是一个多层次的等级结构。我们的宇宙在一个更大的宇宙(母宇宙)中;母宇宙中的其他宇宙是我们宇宙的姐妹宇宙;我们宇宙中的黑洞(恒星级黑洞和超级黑洞)都包含子宇宙;同样,我们的姐妹宇宙中也有它们自己的子宇宙;而母宇宙外面是更大的祖母宇宙

这个模型一共有多少层取决于整个空间的大小。如果整个空间是无限大的,那么宇宙层次的数目也是无限的;反之,则是有限的。

在黑洞宇宙膨胀的过程中,可能和姐妹宇宙相遇,从而合并成更大的宇宙。

以上是对黑洞宇宙模型的简单介绍。它是和大爆炸理论不同的另一种宇宙学模型,对于天文观测中的很多现象,如空间膨胀,微波背景辐射,也有不一样的解释。这种理论目前被认为是一种”类宇宙学“(alternative cosmology),没有得到多数宇宙学家的认同。然而,从20世纪70年代到现在,仍然有部分宇宙学家在从事这个理论的研究。

参考资料

  1. Pathria, R. K. (1972). "The Universe as a Black Hole". Nature240 (5379): 298–299. Bibcode:1972Natur.240..298P. doi:10.1038/240298a0.
  2. Good, I. J. (July 1972). "Chinese universes". Physics Today25 (7): 15. Bibcode:1972PhT....25g..15G. doi:10.1063/1.3070923.
  3. T Zhang (2009) "A New Cosmological Model: Black Hole Universe", Progress in Physics (ptep-online.com/index_f)

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