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整个可观测宇宙压缩成一个黑洞,体积会有多大?计算结果令人意外

发布日期:2021-09-15 00:49    点击次数:68

根据广义相对论可以推导出,假如一个天体的自然半径小于一个确定的数值,那么在它周围空间中就会存在一个“事件视界”,在“事件视界”之内,即使是光也无法逃离,这种奇异的天体就被称为黑洞,而这个确定的数值就被称为“史瓦西半径”。

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由此可见,黑洞不是“洞”,我们可以认为在黑洞整体上是一个三维的球体空间,黑洞的体积就是这个球体空间的体积,而从理论上来讲,如果将一个具有质量的物体的自然半径压缩到小于其自身的史瓦西半径,那么它就会成为黑洞(在质量不变的情况下)。

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史瓦西半径的计算公式很简单,即:r = 2Gm/c^2,其中G为引力常数(其值约为6.67 x 10^-11),m为物体质量,c为光速常量,我们把地球的质量(5.965 x 10^24千克)代入这个公式,就可以计算出地球的史瓦西半径约为9毫米。

也就是说,假如把地球压缩成一个黑洞,那么这个黑洞的半径仅有大约9毫米,可以看到,这种压缩比例是相当惊人的,那么问题就来了,如果整个可观测宇宙压缩成一个黑洞,体积会有多大呢?

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在过去的日子里,天文学家已经根据观测到的宇宙平均密度,计算出了可观测宇宙的质量大约为10^53千克,我们将这个数值代入上述公式,就可以计算出可观测宇宙的史瓦西半径约为1.48 x 10^26米。

估计大家对这个数字没啥概念,我们不妨将其转换成另一种长度单位——光年,1光年就是光在真空中直线前进1年所跨越的距离,也就是9460730472580000米,简单换算一下就可以得出,1.48 x 10^26米大约为156亿光年。

所以我们的计算结果就是:如果将整个可观测宇宙压缩成一个黑洞,那么这个黑洞的体积就相当于一个半径为156亿光年的球体的体积。

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可以看到,这个计算结果令人意外,比我们想象中的要大得多,实际上,宇宙的年龄只有138亿年,我们目前看到的最远天体发出的光线,其实是用了138亿年的时间才来到地球,也就是说,我们目前在宇宙中所能看到的极限距离也只有138亿光年,比我们计算出的结果还要小18亿光年。

值得一提的是,根据这个计算结果,我们还可以做出一个更加令人感到意外的推测。

所谓可观测宇宙,是指我们目前在宇宙中能够看到的最大范围,这就意味着,可观测宇宙的自然半径就是我们目前在宇宙中所能看到的极限距离,也就是138亿光年。看到这里可能有人会纳闷了,可观测宇宙的半径不是465亿光年吗,怎么又变成138亿光年了呢?

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如上图所示,其实“465亿光年”这个数值是将宇宙的膨胀计算在内的,简单来讲就是,由于光速的限制,我们目前所看到的138亿光年外的天体,其实是它138亿年前的模样,而现在的它已经因为宇宙膨胀而跑到距离我们465亿光年的位置上了(如果它还存在的话)。

总而言之,根据我们得出的计算结果,整个可观测宇宙的自然半径是小于其自身的史瓦西半径的,为什么会这样呢?

其实从史瓦西半径的计算公式就可以看出,史瓦西半径与物体的质量是正比例关系,而一个物体的自然半径与它自身的质量的立方根是正比例关系(假设物体的均质的),因此当物体的质量达到一定程度的时候,它的史瓦西半径就会超过自然半径。

正如前文所言,如果一个物体的自然半径小于其自身的史瓦西半径,那么它就会成为黑洞,这就意味着,可观测宇宙或许并不需要“压缩成一个黑洞”,因为它本身就可能就是一个黑洞的内部空间,换句话来讲就是:我们可能生活在一个超级黑洞之中。

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怎么样?是不是觉得很是意外?实际上,这就是“黑洞宇宙模型”的理论基础,该理论认为,黑洞的内部是一个完全封闭的空间,假如黑洞的体积足够大,并且其内部的物质在总体上能够均匀分布,那么广义相对论就允许黑洞拥有稳定的内部结构,而不至于坍塌。

由于整个可观测宇宙的自然半径小于其自身的史瓦西半径,因此可以推测出,我们生活在一个拥有稳定内部结构的超级黑洞之中,而这个超级黑洞在吸收了外部物质之后,其自身的质量也会增加,相应的,它的体积也会增加,这就解释为什么我们会看到宇宙在膨胀。

需要说明的是,虽然“黑洞宇宙模型”在一定程度上能够自圆其说,但是因为这种观点太过匪夷所思,并且也没有令人信服的观测数据来作为支撑,所以并没有获得科学界的普遍认同。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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