基于相對(duì)論和黑洞的新宇宙膨脹模型研究

徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 徐州 221140

1 引言

自一百多年前愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論后,人們利用其理論對(duì)宇宙進(jìn)行了新的研究,并提出了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型。然而隨著理論的進(jìn)一步深入,標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型帶給人們?cè)絹碓蕉嗟睦Щ?比如暴脹理論和暗能量等。盡管后來的科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了及時(shí)的理論補(bǔ)丁,但這些理論補(bǔ)丁又帶來了新的問題,因此引來了一些人對(duì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的質(zhì)疑。有人猜測,宇宙就是一個(gè)大黑洞。本人就是在這種情況下,運(yùn)用相對(duì)論原理,結(jié)合黑洞內(nèi)部情況,進(jìn)行了大膽的假設(shè),構(gòu)造了一個(gè)新的宇宙膨脹模型。

2 基于狹義相對(duì)論的宇宙膨脹模型

假設(shè)宇宙是個(gè)振蕩宇宙,周而復(fù)始的膨脹收縮,當(dāng)宇宙半徑為l時(shí),其膨脹速度為v,且滿足(1)式,如用半徑R代替l,則(1)式可改寫為:

上式中R0為宇宙絕對(duì)半徑,即膨脹速度為零時(shí)的宇宙半徑。令T=R0/c

根據(jù)宇宙膨脹實(shí)際情況,解微分方程(4),可得:

上式中t為宇宙中心點(diǎn)的時(shí)間,其在宇宙空間內(nèi)流失最快,也可稱之為宇宙絕對(duì)時(shí)間。至此,振蕩宇宙半徑、膨脹速度和膨脹加速度的表達(dá)式,已全部求出。

3 基于黑洞和相對(duì)論的新宇宙膨脹模型

由(8)式可知,振蕩宇宙的絕對(duì)半徑與其質(zhì)量成正比。有意思的是,黑洞的史瓦西半徑也與其質(zhì)量成正比,而且兩者的表達(dá)式僅是系數(shù)不同。如果黑洞與宇宙兩者質(zhì)量完全相同,那宇宙絕對(duì)半徑為黑洞史瓦西半徑的一半,這么說宇宙在黑洞內(nèi)振蕩膨脹完全是有可能的。

既然如此,我們不妨用廣義相對(duì)論來對(duì)黑洞內(nèi)部進(jìn)行以下分析。用廣義相對(duì)論研究黑洞,有著名的史瓦西度規(guī)(取光速c=1),即[2]

此式表示無窮遠(yuǎn)處所在空間為平直空間。

4 新宇宙膨脹模型特點(diǎn)

新模型下的振蕩宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的,宇宙外面還有母宇宙,同級(jí)中也會(huì)有姐妹宇宙,姐妹宇宙有可能一個(gè)是物質(zhì)宇宙,另外一個(gè)是反物質(zhì)宇宙。振蕩宇宙內(nèi)部的弱引力場比較特殊,在作用距離范圍內(nèi),引力隨兩者之間距離的增大而增大。

由(12)可知在振蕩宇宙膨脹時(shí),G不再是一個(gè)定值,隨宇宙的膨脹而不斷增大。由于在廣義相對(duì)論公式里面的G是定值,因此將廣義相對(duì)論應(yīng)用在新模型下的宇宙膨脹方面是不適宜的。由于G平時(shí)變化非常非常小,在研究本級(jí)宇宙內(nèi)的局部時(shí)空時(shí),可把G當(dāng)作常數(shù)使用,此時(shí)廣義相對(duì)論仍然是有效的。萬有引力常數(shù)類似哈勃常數(shù),兩者都是變量,但有時(shí)也可以當(dāng)常數(shù)使用。

從宏觀上講,在宇宙反復(fù)的膨脹和收縮過程中,整個(gè)宇宙質(zhì)量將會(huì)在某一時(shí)刻全部收縮在其中心(宇宙的中心也是黑洞的中心),此時(shí),盡管宇宙密度會(huì)無限大,但由于萬有引力系數(shù)為零,從而使其引力為零。從微觀來看,當(dāng)宇宙的質(zhì)量快收縮在一點(diǎn)時(shí),宇宙里面都是高速運(yùn)動(dòng)的夸克粒子。從色動(dòng)力學(xué)來看,高速運(yùn)動(dòng)的夸克粒子之間作用力為零。因此無論從宏觀還是微觀來看,黑洞中心沒有無限彎曲的時(shí)空,也不存在所謂的奇點(diǎn)。當(dāng)宇宙在其中心附近收縮膨脹時(shí),實(shí)現(xiàn)了引力與強(qiáng)作用力在極端條件下的高度統(tǒng)一。

川藏高速公路位于四川盆地和青藏高原過渡帶，山體高大陡峻，峽谷深切，活動(dòng)斷裂發(fā)育，處于我國著名的強(qiáng)烈地震帶——NE向龍門山斷裂帶和NW向鮮水河斷裂帶及SN向安寧河斷裂帶構(gòu)成的“Y”字形構(gòu)造帶。高速公路分別經(jīng)過基本地震烈度為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度地區(qū)，其中Ⅶ度區(qū)占線路總長的57%，Ⅷ區(qū)占線路總長的37%，Ⅸ度區(qū)占線路總長的6%。

振蕩宇宙的空間大小是有限的,又是對(duì)稱的,因此絕對(duì)存在著宇宙的中心,宇宙沒有中心這個(gè)觀點(diǎn)在邏輯上就不嚴(yán)謹(jǐn)。宇宙膨脹是由于宇宙大爆炸,使物質(zhì)具有了初速度,從而遠(yuǎn)離宇宙中心(爆炸中心)的運(yùn)動(dòng)。

科學(xué)歷史上公認(rèn)的兩位巨人,牛頓和愛因斯坦,他們都有各自的宇宙時(shí)空觀。新模型既堅(jiān)持了部分牛頓宇宙時(shí)空觀的內(nèi)容,又堅(jiān)持了部分愛因斯坦的宇宙時(shí)空觀。兩者的思想在模型里面也得到充分融合。沒有絕對(duì)長度,就不會(huì)有相對(duì)長度。沒有絕對(duì)空間,就不會(huì)有相對(duì)空間。沒有絕對(duì)時(shí)間,就不會(huì)有相對(duì)時(shí)間。沒有絕對(duì)時(shí)空,就不會(huì)有相對(duì)時(shí)空。時(shí)間與空間緊密聯(lián)系在一起。本級(jí)宇宙里面的相對(duì)時(shí)空也有可能成為下一級(jí)宇宙的絕對(duì)時(shí)空。

由于振蕩宇宙引力場是對(duì)稱的保守力,以宇宙中心為原點(diǎn)的各球面都是等勢(shì)面,在等勢(shì)面上移動(dòng)時(shí),引力不做功。從任意一個(gè)等勢(shì)球面上的各點(diǎn)移到宇宙內(nèi)任意一點(diǎn),引力所做的功都是相同的。

5 新宇宙膨脹模型的應(yīng)用

(1)暗能量和宇宙加速膨脹。在本文的宇宙膨脹新模型里面,因?yàn)橛钪媸菧p速膨脹的,根本不需要任何暗能量。我們知道能量物質(zhì)守恒定律,能量物質(zhì)只能相互轉(zhuǎn)化,不會(huì)無中生有。在標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型里面,隨著宇宙的膨脹,暗能量越來越多,它從哪里來,怎么解釋,這又是一個(gè)懸疑問題。而且愛因斯坦他本人也承認(rèn),“宇宙常數(shù)”只是一個(gè)錯(cuò)誤的概念。

標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型里的一些公式是在無引力場的基礎(chǔ)上推斷的,因此這些公式在新宇宙模型只能是一種近似成立,比如哈勃公式。這種系統(tǒng)誤差在近距離使用時(shí)幾乎為零,當(dāng)距離越遠(yuǎn)時(shí),引力場做功也就越多,誤差隨距離變大而快速遞增。

約二十年前,一項(xiàng)研究表明我們的宇宙正在加速膨脹。實(shí)際上,這項(xiàng)研究的前提是宇宙處在無引力場下的基礎(chǔ)上而獲得。如果宇宙處在引力場下,恒星發(fā)出的光在引力場下會(huì)發(fā)生引力藍(lán)移,從而使實(shí)際測量的宇宙紅移值小于真實(shí)的宇宙紅移值,恒星離我們的真實(shí)距離比測量距離更遠(yuǎn)。

(2)宇宙背景輻射和GZK極限。用量子力學(xué)研究黑洞輻射可知,黑洞既對(duì)外輻射又對(duì)內(nèi)輻射,前者稱之為霍金輻射,后者對(duì)我們振蕩宇宙而言,是實(shí)實(shí)在在的宇宙背景輻射,所有的宇宙背景輻射都來自于一個(gè)內(nèi)射光球面(史瓦西球面),這個(gè)光球面是一個(gè)等勢(shì)面,從它上面發(fā)射過來的射線投射到宇宙內(nèi)任何一個(gè)點(diǎn)上時(shí),宇宙引力場對(duì)其所做的保守功是一樣的,只要射線發(fā)射時(shí)能量相同(超大型的黑洞,在一個(gè)宇宙膨脹收縮時(shí)間段內(nèi),可以近似認(rèn)為其表面溫度不變),那么接受的射線能量也必定相同,而與路徑無關(guān)。這就是宇宙背景輻射各向同性的根本原因。

GZK極限是在1966年三個(gè)科學(xué)家所計(jì)算,由于宇宙微波背景輻射(只針對(duì)2.73K)與宇宙射線的預(yù)期交互作用,他們預(yù)測地球上不能觀測到超過閾值5×10^19電子伏特宇宙射線源,但在實(shí)際中確能觀測到。

由于引力場,振蕩宇宙微波背景輻射光子的能量并不是均勻分布的。由宇宙中心往外,其光子的能量越來越小;從宇宙邊緣往內(nèi),可觀測到的宇宙射線光子能量越來越小。超過GZK極限的射線完全可以從銀河系外側(cè)(相對(duì)宇宙中心)穿過來,因此在地球上發(fā)現(xiàn)超過GZK極限的射線并非怪事。而且還可以預(yù)測超過GZK極限的射線主要來自銀河系外的某個(gè)方向,并非各個(gè)方向概率均等。

(3)密近雙星。密近雙星系統(tǒng)中,其中一顆子星首先演化成為中子星。初看上去,這種情況不大可能出現(xiàn),因?yàn)槿绻活w子星是中子星,其必然經(jīng)歷過猛烈的超新星爆炸,而此爆炸會(huì)將另一顆子星炸飛,從而使雙星系統(tǒng)瓦解。但實(shí)際觀測卻發(fā)現(xiàn),雙星系統(tǒng)中,的確有一顆子星是中子星的情況。

在振蕩宇宙膨脹早期,G特別小,有些質(zhì)量相對(duì)比較大的恒星會(huì)直接演化生成黑洞,質(zhì)量小的會(huì)演化成白矮星。隨著宇宙膨脹,G不斷增大,一些白矮星會(huì)逐漸變成中子星,一些中子星也會(huì)逐漸變成黑洞。因此密近雙星中一個(gè)子星為中子星(黑洞)并不足為奇。

(4)暴脹理論。標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型把宇宙里的光子數(shù)作為一個(gè)近似常數(shù),并用這個(gè)常數(shù)來對(duì)宇宙膨脹進(jìn)行逆推,從而推出宇宙在某個(gè)時(shí)間下暴脹的空間必要性。新模型下的宇宙膨脹時(shí),由于其體積越來越大,其內(nèi)部的宇宙背景輻射光子也會(huì)越來越多,因此宇宙的光子數(shù)量根本就不是一個(gè)常數(shù),無法用光子數(shù)去逆推宇宙膨脹的時(shí)空關(guān)系。

由新模型下宇宙性質(zhì)可知,暴脹理論失去了在其存在的前提條件。時(shí)空是緊密相連的,物質(zhì)時(shí)空三者也是緊密相連的,不存在沒有物質(zhì)的時(shí)空?？臻g膨脹超過了光速,也意味著物質(zhì)運(yùn)動(dòng)超過了光速。如果暴脹理論成立,恐怕很多理論將要從頭改寫。

6 結(jié)論

本文首次將宇宙作為一個(gè)大黑洞進(jìn)行了具體的研究,利用狹義相對(duì)論建立了基于黑洞的宇宙膨脹新模型。從新模型中求出了宇宙的運(yùn)動(dòng)方程。并利用新模型的特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)在宇宙模型中的一些懸疑問題進(jìn)行了一一說明。本模型進(jìn)行了大膽假設(shè),小心求證,由此得到的結(jié)論并未與以前任何公認(rèn)的物理理論相沖突,只是對(duì)萬有引力常數(shù)這個(gè)物理量做了一點(diǎn)點(diǎn)改變,萬有引力常數(shù)的變動(dòng)符合物理發(fā)展的規(guī)律。根據(jù)新模型的特點(diǎn),本文提也出了預(yù)測,來證明本模型的正確與否。

綜上所述,新模型比宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型更簡單,對(duì)一些天文現(xiàn)象解釋更簡單更合理,可以進(jìn)一步推廣。