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整個可觀測宇宙壓縮成一個黑洞,體積會有多大?計算結果令人意外
2021/09/02
2021/09/02
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

根據廣義相對論可以推導出,假如一個天體的自然半徑小于一個確定的數值,那麼在它周圍空間中就會存在一個「事件視界」,在「事件視界」之內,即使是光也無法逃離,這種奇異的天體就被稱為黑洞,而這個確定的數值就被稱為「史瓦西半徑」。

由此可見,黑洞不是「洞」,我們可以認為在黑洞整體上是一個三維的球體空間,黑洞的體積就是這個球體空間的體積,而從理論上來講,如果將一個具有質量的物體的自然半徑壓縮到小于其自身的史瓦西半徑,那麼它就會成為黑洞(在質量不變的情況下)。

史瓦西半徑的計算公式很簡單,即:r = 2Gm/c^2,其中G為引力常數(其值約為6.67 x 10^-11),m為物體質量,c為光速常量,我們把地球的質量(5.965 x 10^24千克)代入這個公式,就可以計算出地球的史瓦西半徑約為9毫米。

也就是說,假如把地球壓縮成一個黑洞,那麼這個黑洞的半徑僅有大約9毫米,可以看到,這種壓縮比例是相當驚人的,那麼問題就來了,如果整個可觀測宇宙壓縮成一個黑洞,體積會有多大呢?

在過去的日子裡,天文學家已經根據觀測到的宇宙平均密度,計算出了可觀測宇宙的質量大約為10^53千克,我們將這個數值代入上述公式,就可以計算出可觀測宇宙的史瓦西半徑約為1.48 x 10^26米。

估計大家對這個數字沒啥概念,我們不妨將其轉換成另一種長度單位——光年,1光年就是光在真空中直線前進1年所跨越的距離,也就是9460730472580000米,簡單換算一下就可以得出,1.48 x 10^26米大約為156億光年。

所以我們的計算結果就是:如果將整個可觀測宇宙壓縮成一個黑洞,那麼這個黑洞的體積就相當于一個半徑為156億光年的球體的體積。

可以看到,這個計算結果令人意外,比我們想象中的要大得多,實際上,宇宙的年齡只有138億年,我們目前看到的最遠天體發出的光線,其實是用了138億年的時間才來到地球,也就是說,我們目前在宇宙中所能看到的極限距離也只有138億光年,比我們計算出的結果還要小18億光年。

值得一提的是,根據這個計算結果,我們還可以做出一個更加令人感到意外的推測。

所謂可觀測宇宙,是指我們目前在宇宙中能夠看到的最大范圍,這就意味著,可觀測宇宙的自然半徑就是我們目前在宇宙中所能看到的極限距離,也就是138億光年。看到這裡可能有人會納悶了,可觀測宇宙的半徑不是465億光年嗎,怎麼又變成138億光年了呢?

如上圖所示,其實「465億光年」這個數值是將宇宙的膨脹計算在內的,簡單來講就是,由于光速的限制,我們目前所看到的138億光年外的天體,其實是它138億年前的模樣,而現在的它已經因為宇宙膨脹而跑到距離我們465億光年的位置上了(如果它還存在的話)。

總而言之,根據我們得出的計算結果,整個可觀測宇宙的自然半徑是小于其自身的史瓦西半徑的,為什麼會這樣呢?

其實從史瓦西半徑的計算公式就可以看出,史瓦西半徑與物體的質量是正比例關係,而一個物體的自然半徑與它自身的質量的立方根是正比例關係(假設物體的均質的),因此當物體的質量達到一定程度的時候,它的史瓦西半徑就會超過自然半徑。

正如前文所言,如果一個物體的自然半徑小于其自身的史瓦西半徑,那麼它就會成為黑洞,這就意味著,可觀測宇宙或許並不需要「壓縮成一個黑洞」,因為它本身就可能就是一個黑洞的內部空間,換句話來講就是:我們可能生活在一個超級黑洞之中。

怎麼樣?是不是覺得很是意外?實際上,這就是「黑洞宇宙模型」的理論基礎,該理論認為,黑洞的內部是一個完全封閉的空間,假如黑洞的體積足夠大,並且其內部的物質在總體上能夠均勻分佈,那麼廣義相對論就允許黑洞擁有穩定的內部結構,而不至于坍塌。

由于整個可觀測宇宙的自然半徑小于其自身的史瓦西半徑,因此可以推測出,我們生活在一個擁有穩定內部結構的超級黑洞之中,而這個超級黑洞在吸收了外部物質之後,其自身的質量也會增加,相應的,它的體積也會增加,這就解釋為什麼我們會看到宇宙在膨脹。

需要說明的是,雖然「黑洞宇宙模型」在一定程度上能夠自圓其說,但是因為這種觀點太過匪夷所思,並且也沒有令人信服的觀測資料來作為支撐,所以並沒有獲得科學界的普遍認同。

 

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