为什么我们至今未发现外星人？看不见的多元宇宙很可能存在？

                  吉林大学：杨学祥，杨冬红

      宇宙很大，存在生命的星球不会只有地球一个。为什么我们至今未发现外星人？一个合理的解释是，与地球处于相同发展阶段的星球在我们看不到的其他宇宙。这是物理学家为什么认为多元宇宙和可的存在的一个原因。

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物理学家为什么认为多元宇宙很可能存在？

2022年02月28日 10:07 新浪科技

　　宇宙暴胀理论预测了多元宇宙的存在：无数的宇宙都经历了热大爆炸，但大爆炸发生的每个区域都是完全分开的，它们之间只有不断暴胀的空间。我们无法探测到其他宇宙，但在暴胀理论的背景下，多元宇宙的存在是不可避免的。

　　新浪科技讯 北京时间2月28日消息，据国外媒体报道，多元宇宙论是一个看起来很疯狂的假说，尚未经过直接且实际的检验。不过，尽管备受争议，但该假说其实有着很稳固的理论基础。

　　当我们观察今天的宇宙时，其实是在同时关注两个与宇宙自身有关的故事。第一个故事讲述了今天宇宙的面貌，包括其中所有的恒星和星系，它们如何聚集在一起，如何移动，以及由什么成分组成。这是一个相对简单的故事，是我们通过所能观察的宇宙了解到的。

　　另一个故事则讲述了宇宙如何形成今天的样子，其中包含了更多有待解开的谜题。当然，我们可以观察处于遥远距离的天体，从中了解宇宙在遥远的过去是什么样子：我们现在所接收到的光来自其最初发出的时候。但我们需要将这些观察与宇宙理论——宇宙大爆炸框架内的物理定律——结合起来，对过去发生的事情进行解释。在这一过程中，我们会看到一些令人惊奇的证据，表明大爆炸发生极短时间内还出现过一个阶段：宇宙暴胀。为了让暴胀理论符合我们所观察到的宇宙，有人给出了一个令人不安的附加条件：多元宇宙。接下来，就让我们来了解一下物理学家们为什么压倒性地认为多元宇宙很可能存在。

　　早在20世纪20年代，研究者就发现了压倒性的证据，表明天空中大量的螺旋状和椭圆形物体实际上就是星系本身，而且这些星系之间的距离正越来越远，其发出的光会被有序地转移到更长的波长。一开始，物理学家们提出了各种各样的解释，但都无法找到更有力的证据。最终被广泛接受的一个解释是：宇宙本身正在像一块发酵的葡萄干面包一样不断膨胀，而宇宙中包括星系在内的物体就如同葡萄干，随着宇宙（面团）膨胀而不断远离。

　　膨胀宇宙的“葡萄干面包”模型，星系（葡萄干）的相对距离随着空间（面团）的膨胀而增加。任意两个星系之间的距离越远，到接收到光的时候，观察到的红移就越大。由膨胀宇宙所预言的红移-距离关系在观测中得到了证实，并且与早在20世纪20年代就已经知道的事实相一致。

　　如果今天的宇宙仍在膨胀，其内部的辐射向更长的波长和更低的能量转移，那么过去宇宙一定更小、密度更大，同时也更均匀、更热。只要在这个膨胀的宇宙中存在任意数量的物质和辐射，从大爆炸理论就可以推导出三个明确而普遍的预言：

　　（1）一个大型的宇宙网，其中的星系随着时间的推移而增长、演变和聚集；

　　（2）一个低能量的黑体辐射背景，这是在炽热的早期宇宙中中性原子第一次形成时留下的；

　　（3）最轻元素——氢、氦、锂及其各种同位素——的特定比例，这些元素甚至存在于尚未形成恒星的区域。

　　所有这三个预言都被观测证实了，大爆炸理论也因此成为最主流的宇宙起源理论，而其他理论都被抛弃了。然而，大爆炸只描述了宇宙在其早期阶段的样子，并不能解释为什么宇宙具有这些性质。在物理学中，如果知道某个系统的初始条件和它所遵守的规则，你就可以非常准确地预测它未来将如何演变——直到达到计算能力和系统固有不确定性的极限。

　　一个随宇宙加速膨胀而形成结构的模拟片段，呈现了暗物质丰富的宇宙中数十亿年的引力增长。请注意，纤维结构和较大的星团——形成于纤维的交叉处——主要是由暗物质产生的，常规物质只起着很小的作用。

　　那么，大爆炸在开始时需要什么样的初始条件，才能形成今天的宇宙呢？根据目前科学家的发现，答案可能有点让人意想不到：

　　（1）必须存在一个显著低于（至少约1000倍）普朗克尺度的最高温度；在粒子物理和物理宇宙学中，普朗克尺度是指约1.22×10^19GeV量级的能量尺度，在这一尺度下，重力的强度变得与其他基本作用力相当，物理定律失效。

　　（2）宇宙诞生时，所有尺度的密度涨落幅度都大致相同。

　　（3）膨胀速率和物质能量总密度必须达到近乎完美的平衡：至少达到30位有效数字。

　　（4）所有位置——甚至是不相关的位置——的宇宙一定是在相同的初始条件下诞生的，包括相同的温度、密度和波动谱。

　　（5）宇宙诞生时的熵一定比现在低得多，低了几万亿倍。

　　如果这三个不同的空间区域从来没有时间加热，也不能共享信息或相互传输信号，那它们为什么都是相同的温度？这是大爆炸初始条件的问题之一；这些区域是如何达到相同温度的，或者它们最初就是如此？

　　简单来说，与初始条件有关的问题基本上就是在问：这个系统为什么会以这样的方式开始？我们只有两个选项。一个是求助于不可知的事物，说它就是这样的，因为这是它可能存在的唯一方式，我们无法进一步了解。另一个则是尝试找到一种机制，来建立和创造系统开始所需的条件。物理学家将第二个选项称为“诉诸于动力学”；换言之，我们试图设计一种机制，用于实现三个重要的目标：

　　（1）它必须重现它试图取代的模型（在这个例子中就是大爆炸理论）所获得的每一个成功。也就是说，大爆炸理论成功的每一块基石都必须被纳入这个新的机制中。

　　（2）它必须解释大爆炸无法解释的东西：宇宙开始时的初始条件。这些在大爆炸理论框架内仍未得到解释的问题必须用新的观点来解释。

　　（3）它必须做出与原始理论预言不同的新预言，而且这些预言必须导致某种可观察、可测试和/或可测量的结果。

　　唯一符合这三条标准的理论就是宇宙暴胀理论。在这三条“战线”上，该理论都取得了前所未有的成功。

　　暴胀理论的基本观点是，在宇宙变得炙热、稠密、到处充满物质和辐射之前，它处于一种由空间本身固有的大量能量主导的状态：某种场或真空能量。只是，与能量密度很小（相当于每立方米空间有一个质子）的暗能量不同，宇宙暴胀时期的能量密度是巨大的：大约是今天暗能量的10^25倍！

　　宇宙暴胀时的膨胀方式与我们熟悉的宇宙膨胀不同。在一个物质和辐射不断膨胀的宇宙中，粒子的数量保持不变，体积却在增加，从而导致能量密度下降。由于膨胀速率与能量密度有关，因此随着时间的推移，宇宙膨胀会逐渐减慢。但如果能量是空间本身固有的，那么能量密度保持不变，膨胀速率也会保持不变。其结果就是所谓的指数膨胀，即在很短的一段时间后，宇宙的大小翻了一番；再过一段时间，它又翻了一番，以此类推。在很短的时间内——一秒的一小部分——一个最初比最小的亚原子粒子还小的区域可以被拉伸到比今天整个可见的宇宙还大。

　　发生在暴胀期间的指数膨胀是如此强大，每过（大约）10^-35秒，空间中任何特定区域的体积就会在每个方向上翻倍，导致所有粒子或辐射被稀释，并导致所有曲率都迅速变得平坦。

　　在暴胀期间，宇宙被拉伸到巨大的尺寸。这个过程中也完成了很多事情，其中包括：

　　（1）拉伸可观测的宇宙，无论其初始曲率如何，使其与平坦的宇宙难以区分；

　　（2）取开始暴胀区域中存在的任何初始条件，并将它们延伸到整个可见的宇宙中；

　　（3）创造出微小的量子涨落，并将其延伸到整个宇宙，从而使它们在所有的距离尺度上几乎是一样的，但在更小的尺度上（当暴胀即将结束时）则略小一些；

　　（4）将所有“暴胀”场能量转化为物质和辐射，但只能达到远低于普朗克尺度（但与暴胀能量尺度相当）的最高温度；

　　（5）创造出一个密度和温度波动的谱系，存在于比宇宙视界更大的尺度上，在任何地方都是绝热的（熵恒定），而不是等温的。

　　这就重现了“无暴胀”热大爆炸理论的成功，提供了一种解释大爆炸初始条件的机制，并做出了一系列不同于“无暴胀”宇宙开端的新颖预言。从20世纪90年代开始，一直到今天，暴胀理论的预言与观测结果一致，但与无暴胀的大爆炸场景截然不同。

　　问题在于，必须存在一个最小规模的暴胀，才能重现我们所看到的宇宙。这意味着，要想成功实现暴胀，就必须满足一定的条件。我们可以把暴胀理论模型化，比如视为一座山丘，只要你在山顶，就会发生暴胀；但当你滚到下面的山谷时，暴胀就结束了，并将能量转化为物质和辐射。

　　在上图中，今天宇宙在所有地方都具有相同的属性（包括温度），因为它们起源于具有相同属性的区域。在中间图中，可以有任意曲率的空间暴胀到了我们今天无法观察到任何曲率的程度，这就解决了平坦性的问题。而在下图中，原先存在的高能遗留因为暴胀而消失，这就为高能遗留的问题提供了一个答案。对于大爆炸本身无法解释的这三大难题，暴胀理论都给出了合理的解答。

　　当你这样做的时候，你会发现某些“山形”——或者物理学家所说的“势”——是可行的，另一些则不可行，关键是山顶的形状要足够平坦。简单地说，如果你把暴胀场想象成山顶上的一个球，它需要在暴胀的大部分时间里缓慢地滚动；只有当进入山谷时，它才会加速滚动，从而结束暴胀。我们已经量化了暴胀发生所需的最低“滚动”速度，从而对这种“势”有了一定了解。只要顶部足够平坦，暴胀理论就可以作为解决宇宙起源问题的可行方案。

　　不过现在，事情开始变得有趣了。与我们所知的其他场一样，暴胀本质上必须是量子场。这意味着它的很多属性并不完全确定，而是呈概率分布的。你允许流逝的时间越多，分布的范围就越大。滚下山的不是一个点状的球，而是一个量子概率波函数。

　　同时，宇宙在暴胀，意味着它在所有三个维度上呈指数级膨胀。如果我们把一个1×1×1的立方体称为“宇宙”，那就可以看到立方体在暴胀过程中的膨胀。如果经过一些时间，立方体的大小翻倍，那它就变成了一个2×2×2的立方体，需要填充8个原始立方体。经过同样长的时间后，它就变成了一个4×4×4的立方体，需要填充64个原始立方体。再经过相同的时间，就是一个8×8×8的立方体，体积是512。只需要大约100次“翻倍”，我们就能得到一个包含大约1090个原始立方体的宇宙。

　　在暴胀过程中发生的量子涨落在整个宇宙中伸展开来，当暴胀结束时，它们就变成了密度涨落。随着时间的推移，最终导致了今天宇宙的大尺度结构，以及在宇宙微波背景中观察到的温度波动。这是现实的量子本质如何影响整个大尺度宇宙的一个例子。

　　到目前为止，一切顺利。现在，假设有一个区域，暴胀的量子球在该区域滚向山谷。暴胀到此结束，场能量转化为物质和辐射，然后就发生了我们所知的热大爆炸。这个区域可能形状不规则，但它需要足够的暴胀来重现我们在宇宙中观测到的成功结果。

　　那么，现在问题就变成了，在这个区域之外会发生什么？

　　这个问题的难点在于，如果要求宇宙有足够的暴胀，使其具有我们所观测到的各种属性，那么在暴胀结束的区域之外，暴胀还会继续。如果你问“这些区域的相对大小是多少”，那你会发现，如果想让暴胀结束的区域足够大，与观测结果一致，那暴胀没有结束的区域就会指数增大；而随着时间的推移，这种差距会越来越大。即使有无数个区域的暴胀结束了，也会有更多的区域持续暴胀。此外，暴胀结束的各个区域，也就是大爆炸发生的地方，都将被更多暴胀空间的区域分隔开来。

　　简单地说，如果每次大爆炸都发生在一个“泡泡”宇宙中，而且这些泡泡之间不会发生碰撞，那么随着时间的推移，我们最终得到的是越来越多不相连的泡泡，它们之间被一个不断暴胀的空间分隔开。

　　在不断膨胀的宇宙“海洋”中，多个独立的宇宙因因果关系而彼此分离，这是多元宇宙概念的一种描述。不同的宇宙可能有不同的属性，也可能没有，我们或许永远都不知道如何验证多元宇宙假说

　　这就是科学家们把多元宇宙的存在视为“默认选项”的原因。我们有压倒性的证据证明宇宙大爆炸的存在，也有证据表明宇宙大爆炸的一系列初始条件尚未得到确实的解释。如果我们加上一个解释——宇宙暴胀——那这个形成并导致大爆炸的暴胀时空就会带来一系列新颖的预言。这些预言中有许多是通过观察得出的，但也有一些来自暴胀理论。

　　其中一个预言便是可能存在无数个宇宙，它们之间由互不相连的区域组成，而每个区域都各自发生了大爆炸；当把它们放在一起时，就组成了所谓的多元宇宙。不过，这并不意味着不同的宇宙有不同的规则、定律或基本常数，也不意味着你能想象到的所有可能的量子结果都发生在其他宇宙中。这甚至不意味着多元宇宙是真实的，因为这是一个我们无法验证或证伪的预言。但如果暴胀理论是正确的，而且有数据上的支持，那么多元宇宙几乎就是不可避免的。

　　你可能不喜欢多元宇宙论，也可能真的不喜欢一些物理学家滥用这个想法，但在一个更好、更可行的暴胀替代理论出现之前，多元宇宙在很大程度上还是有可能存在的。（任天）

https://finance.sina.com.cn/tech/2022-02-28/doc-imcwipih5753639.shtml?cre=tianyi&mod=pchp&loc=22&r=0&rfunc=23&tj=cxvertical_pc_hp&tr=12

黑洞理论新说

已有 7134 次阅读 2010-4-19 09:14 |个人分类:科技点评|系统分类:观点评述| 宇宙, 机制, 黑洞

       我们的宇宙就像是俄罗斯套娃的一部分，可能栖身于一个黑洞内，而这个黑洞本身又是一个更大宇宙的一部分。

       封闭“黑洞”模型表明，像“黑洞”这样独立的宇宙似乎不只一个，它们都有自己的确切边界且互不相通，而人类只能观察到自己所在的宇宙。

       根据数学模型的计算，双星黑洞之间有一个等势面（零势面）和喷发点（白洞）。黑洞内外的物质可以在白洞沿着零势面以近光速喷出，黑洞内外的物质也可以在白洞因碰撞减速而散落黑洞周围，最终落入黑洞。

附件：

美科学家称每个黑洞内都含有一个宇宙(图)

http://www.sina.com.cn  2010年04月19日 07:40  新浪环球地理

超级黑洞(图片提供：NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al., MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. and ESO/WFI)

　　新浪环球地理讯 北京时间4月19日消息，据美国国家地理网站报道，美国物理学家表示，我们的宇宙就像是俄罗斯套娃的一部分，可能栖身于一个黑洞内，而这个黑洞本身又是一个更大宇宙的一部分。反过来，迄今在宇宙中发现的所有黑洞——从微小黑洞到超大质量黑洞——可能都是通向其他世界的通道。

　　黑洞是宇宙间的通道

　　根据一个离奇古怪的新理论，黑洞其实是宇宙间的通道——一种虫洞。从理论上讲，虫洞是连结白洞和黑洞的多维空间隧道，无处不在，但转瞬即逝。这种理论认为，黑洞吸收的物质没有如预测的那般被破坏成一个点，而是在黑洞的另一端喷涌出一个“白洞”。所谓白洞是广义相对论预言的一种与黑洞相反的特殊天体。

　　美国印第安纳大学物理学家尼克蒂姆-波普拉维斯基(Nikodem Poplawski)日前在《物理快报B辑》上发表了一篇论文，文中提出了一种新的数学模型，用以描述坠入黑洞物质的螺旋运动。按照波普拉维斯基得出的方程式，这种虫洞是“时空奇点”的切实可行的替代物，著名物理学家阿尔伯特-爱因斯坦预测“时空奇点”存在于黑洞的中心。

　　根据爱因斯坦广义相对论方程式，奇点形成于特定区域内物质过于稠密的时候，所以，这种事情可能会发生于黑洞的超密度中心。爱因斯坦的理论认为，奇点不占用任何空间，密度无限大，温度无限高——这一概念得到了大量间接证据的支持，可由于听上去离奇古怪，使得许多科学家难以接受。

　　如果波普拉维斯基的理论最终被证明是正确的，这些科学家可能会改变他们的立场。根据新的数学模型，黑洞吸收并看似破坏的物质实际上被驱逐出去，成为另一世界中星系、恒星和行星的基础物质。波普拉维斯基表示，黑洞为虫洞的概念或能解释现代宇宙学的某些谜团。例如，宇宙大爆炸理论认为，宇宙是以奇点为起点开始演变的。

　　诸多谜团或迎刃而解

　　不过，这种奇点是如何在大爆炸后的第一时间形成的，科学家对此没有一个合理的解释。波普拉维斯基指出，如果我们的宇宙诞生于“白洞”而非奇点，“将会解决黑洞奇点这道难题，而大爆炸奇点也将迎刃而解。”另外，虫洞或许还能解释伽玛射线爆发的成因。伽玛射线爆发是宇宙中强度第二大的爆炸，仅次于宇宙大爆炸。

　　伽玛射线爆发发生于已知宇宙的边缘，似乎与遥远星系中的超新星(即恒星爆炸)存在联系，但准确来源还是一个谜。波普拉维斯基认为，伽玛射线爆发可能是另外一个宇宙在释放物质，这些物质也许通过那些星系中心的超大质量黑洞逃到我们的宇宙，虽然尚不清楚整个过程是如何发生的。

　　波普拉维斯基说：“这个概念有点儿疯狂，但结果谁又知道呢？”目前至少有一种办法可以验证波普拉维斯基理论是否正确：宇宙中的一些黑洞旋转，如果我们的宇宙诞生于一个同样旋转的黑洞，那么宇宙应该“继承”了这个“母宇宙”的旋转特性。据波普拉维斯基介绍，如果未来的实验证明宇宙以其偏爱的方向旋转，这将是支持他的虫洞理论的间接证据。

　　物理学家表示，虫洞理论或许还有助于解释宇宙某些特征源于理论预测的原因。根据标准物理学模型，在大爆炸以后，宇宙的弯曲度应该随时间增加，所以在137亿年过后，我们应该处于一个封闭、球形宇宙的表面。然而，大量观测数据表明，宇宙四面八方都是扁平的。此外，来自早期宇宙的光线数据表明，在大爆炸刚发生后，宇宙中一切物质的温度都大体相同。

　　这意味着，我们在宇宙相反水平线看到的最遥远天体曾经距离我们的宇宙非常近，以致相互作用，达到均衡，就如同封闭密室中的气体分子一样。观测结果之所以再度与科学家的预测不相符，是因为在已知宇宙中，距离最远的天体相隔如此遥远，以致以光速在两者之间旅行所花的时间超过了宇宙的年龄。为说明这种差异，天文学家提出了膨胀概念。膨胀理论认为，在宇宙形成后不久，它经历了一个快速成长期，在此期间，太空本身以快于光速的速度膨胀。

　　“外来物质”诱发宇宙膨胀

　　膨胀在瞬间将宇宙从不到一个原子大，迅速拉伸至是原来大小的天文数字比例。宇宙因此显得扁平，因为从我们的角度看，我们所处的球体无比庞大——正如对于站在一望无际田野上的人来说，球状地球看上去扁平的。膨胀理论还能解释如今相距遥远的两个天体，在过去距离非常之近，足以相互作用的原因。

　　但是，假设膨胀理论是正确的，天文学家总难以解释清楚引起宇宙膨胀的原因。正是在这种背景下，新虫洞理论诞生了。据波普拉维斯基介绍，一些膨胀理论之所以宣称宇宙膨胀是由“外来物质”引起的——这种科学家假设的物质不同于正常物质，一定程度上是因为“外来物质”被排斥而非被引力所吸引。

　　基于他的方程式，波普拉维斯基认为这种外来物质可能形成于第一批超大质量恒星崩溃变成虫洞的时候。他说：“形成虫洞的外来物质和引发宇宙膨胀的外来物质之间可能存在某种关系。”实际上，波普拉维斯基并不是科学界提出其他宇宙存在于黑洞内的第一人。美国亚利桑那州立大学理论物理学家达蒙-伊森(Damien Easson)在以前的研究中也做出了这种猜测。

　　他没有参与波普拉维斯基的最新研究。伊森在谈到波普拉维斯基的方程式时说：“这一理论新鲜之处在于提出广义相对论中的虫洞解决方案，即虫洞充当了外部黑洞通向内部新宇宙的通道。在我们的研究中，我们只是提出这种方案可能会存在，但波普拉维斯基发现了真正的解决方案。”

　　新理论未解决根本问题

　　尽管如此，伊森在一封电子邮件中称，虫洞理论依旧存在诸多疑问：“这一构想可能吗？可能。这种假设可能吗？这我不清楚。但它肯定是令人感兴趣的理论。”伊森指出，量子引力(研究亚原子水平下的引力)的未来发展或能精进这些方程式，支持或反驳波普拉维斯基的理论。

　　美国加州大学戴维斯分校物理学家安德烈斯-阿尔布雷希特(Andreas Albrecht)表示，总体而言，虫洞理论令人很感兴趣，但在解释宇宙起源问题上难称突破。阿尔布雷希特也没有参与波普拉维斯基的研究。他认为，虫洞理论认为我们的宇宙形成于“母宇宙”喷射的物质，这只是将该创世事件过渡到另一个世界。换句话说，该理论未能说明“母宇宙”是如何形成的，以及它为何具有那些特性——即我们宇宙继承的特性。

　　他说：“我们正尝试解决一些确实紧迫的问题，目前尚不清楚这些问题是否能提供一个解决之策。”阿尔布雷希特并未觉得虫洞理论比黑洞奇点理论离奇，他警告人们不对新理论展开深究，因为它听上去还有些道理。阿尔布雷希特说：“在这个领域，人们提出的任何问题都十分离奇。你不能说不离奇的概念会赢得胜利，因为大千世界无奇不有。”(孝文)

http://tech.sina.com.cn/geo/space/news/2010-04-19/0740255.shtml

我国学者认为“黑洞”是封闭的天体

　　新华社长春7月21日电　（记者周长庆）长春科技大学杨学祥教授通过研究发现，“黑洞”是一个完全封闭的天体，其内部的物质既不能出来，外界的物质也不能进去。

　　杨学祥教授多年来一直研究天体和地球地质、气候变化，他和同事陈殿友等人在即将出版的第六期《东北亚地球科学研究学报》上将发表论文《差异旋转与全球变化》，阐述了有关“黑洞”的新理论。

　　“黑洞”是一种理论上的预言，很多观测事实表明它可能存在。科学界普遍认为，“黑洞”会使自己周围的时空发生彻底弯曲，将自身的中心部分和宇宙的其它部分隔开。按照爱因斯坦的广义相对论，光线在引力场中走的不是直线而是弯曲的，引力场越强，光线弯曲得越厉害。因此，物质只能进入“黑洞”，而不能逃出“黑洞”；“黑洞”的质量也因此越来越大，引力越来越强，不断“吞噬”周围的其它星体。

　　杨学祥教授经过研究认为，“黑洞”引力吸引周围天体时，使其它天体向其加速运动。由于能量是守恒的，其它天体相对“黑洞”的位能转变为该天体运动的动能。根据他的计算，由于运动天体速度不能大于光速，所以其它天体不能无限地靠近“黑洞”。“黑洞”与其它天体之间最短距离是“临界半径”。这表明，一个“黑洞”天体一旦形成，那么物质既不能进入，也不能逃出。

　　杨学祥的封闭“黑洞”模型表明，像“黑洞”这样独立的宇宙似乎不只一个，它们都有自己的确切边界且互不相通，而人类只能观察到自己所在的宇宙。

《人民日报》　(1999年07月22日第5版)

http://www.people.com.cn/rmrb/199907/22/newfiles/wzb_19990722001053_5.html

双星黑洞数学模型的新证据
[ 2008/4/27 7:18:00 | By: 杨学祥 ]
 
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推荐双星对称黑洞相当于一个巨型加速器
——高速宇宙风就是在黑洞强大引力下沿零势面高速运动的物质
作者：杨学祥
关键字： 双星系统, 膨胀与收缩, 物质喷射, 白洞

1 引言

    新浪科技讯 北京时间4月25日消息，据英国广播公司报道，美国科学家在《自然》杂志的一份报告中表示，他们已经得出黑洞怎样以接近光速的速度喷发出粒子流的答案。波士顿大学的这个科研组说，这些粒子流起源于黑洞边缘附近的磁场。他们表示，这个区域为喷发的粒子流提供加速度，并将它们集中在一起。尽管事实是我们的银河系中心可能潜伏着一个黑洞，但是天文学家仍然对这些天上的怪物一无所知，黑洞几乎吸空了挡住它们道路的所有东西，甚至包括光。天文学家曾对超大质量黑洞从一个螺旋状物中喷发出等离子流的说法产生怀疑，他们表示，现在他们的研究证明事实确实如此。马斯科尔在一份声明中说：“我们已经对这种喷射的最内部进行了有史以来最深入的研究，粒子正是在这个区域获得加速度的。”密歇根大学的天文学家休•阿莱尔教授参与了这项研究，他表示这些物质加速到接近光速的过程跟喷气发动机的加速过程非常类似。有新闻援引他的话说：“我认为它是通过一种喷嘴聚集到一起的，我们得出了这一点。”然而，英国广播公司的科学通讯记者尼尔•伯德勒表示，尽管科学家取得了这项重大突破，但是他们无法超越所谓的视界(event horizon)进一步揭开黑洞里面隐藏的秘密。这位记者表示，事实上如果这些理论物理学家的观点是正确的，我们将永远都不能看到黑洞内部这些奇怪的现象[1]。

2 双星对称黑洞模型及其时空特征
                           
    推演黑洞存在的间接证据是: 一、在星系中心附近，高达10 亿个太阳质量的引力使星系运动十分迅速。二、许多星系的中心及双星系统以巨大的速率喷发辐射与物质，它们必定有一个极其有效的能量产生机制。在理论上，密度极大且最有效的发动机就是黑洞[2]。双星对称黑洞模型可以给出相应的物理机制[3，4]。

2.1 互相矛盾的理论推理

     黑洞是宇宙中最能唤起人们想象力的未知天体，它有极大的引力，光逃不出它的引力场，对外界而言，它不仅是黑的，而且是封闭的[5，6]。早在1783年，为了解决宇宙质量缺失问题（暗物质），英国天文学爱好者麦克尔就曾提出宇宙中可能存在这样的天体，到了1916年德国数学家史瓦西研究爱因斯坦的相对论时，提出了著名的史瓦西半径：
                     r_max =2GM/c²                        (2.1)
其中rmax是黑洞的最大半径，也称为视界；G为万有引力常数，M为星体质量，c为光速。星体半径一旦小于r_max，就成为外界看不见的黑洞。后来，为了解释高密度星体喷射能量的现象，英国理论物理学家霍金又提出黑洞不黑，它能辐射出大量能量，因而又称之为热洞。这些研究显然是根据未知天体的某一特征推演出的相互矛盾的理论结果，它们可能统一于某个实际运动着的星系世界中。

2.2 低密度黑洞还是黑的

    黑洞未必就是高密度星体，由（2.1）式，可得黑洞密度公式
           ρ =3M/4лr³ =3c⁶/32лG³M²            （2.2）
黑洞密度ρ与质量M²成反比，只要M充分大，ρ就可以充分小。例如，如果宇宙密度在9 ×10^-30~10^-29g/cm³之间，则我们所在的宇宙就是一个正在膨胀中的黑洞[5]。它既不是奇点，又可观测检验，应该是我们研究的起始点。

2.3 暗物质、反物质存在于何处？

    正物质与反物质碰撞后湮灭，变为能量，满足质能公式
               E = Mc²                          （2.3.1）
反之，能量变为物质的过程中，是否也同时生成反物质？它们存在于何处？如果它们确实存在，我们就必须寻找观测不到它们的原因。

    设宇宙演变过程中能量转变为两个质量同为M且体积相同的正物质星体和反物质星体。它们在万有引力作用下作轨道运动。由修正后的开普勒第三定律和相对论，有[3，4]
         M = Mo/（1-v²/c²）^1/2                    （2.3.2）
         a =2GM/v² = 2GMo/v²（1- v²/c²）^1/2          （2.3.3）
其中Mo是星体的静止质量，a为星体轨道半径（每个星体到它们公共重心的距离）。数学分析表明，当v < c (2/3)^1/2时, a随v的增加而减少; 当v >c (2/3)^1/2时, a随v的增加而增加。当v = c（2/3）^1/2时，有轨道半径的最小值
            a_min = 3GM/c²=1.5 r_max=（27）^1/2GMo/c²。             （2.3.4）
（2.3.4）式表明，轨道运动中的双星黑洞永远不会碰撞且互不相通，这是正物质世界与反物质世界不会轻易碰撞湮灭的原因。

2.4 宇宙膨胀与收缩的原因

    由(2.3.4)式，黑洞运动速度v趋于零，轨道半径a趋于无限大；速度趋于光速c，轨道半径a也趋于无限大。两黑洞之间的距离是在2a_min和无限大之间震荡，轨道速度v是在零和光速c之间变化。根据相对论，由著名的空间收缩性，有
       r = r_o（1-v²/c²）^1/2                          （2.4）
其中r_o是静止时的黑洞半径。显然，v趋于零时，黑洞半径最大，质量最小，因而密度最小；v趋于c时，黑洞半径趋于零，质量趋于无限大，密度也趋于无限大。在黑洞速度由零到接近c的变化中，黑洞体积逐渐收缩，反之，则膨胀。黑洞运动速度变化是其体积变化的原因。过去，人们只考虑了静态的黑洞，所以无法解释许多互相矛盾的天文现象。实际上，由于空间收缩性，宇宙的膨胀与收缩是由宇宙的运动产生的。低密度黑洞可以在运动速度趋于光速c时变为高密度黑洞[2，3]。

2.5 巨大能量产生的原因

     当黑洞速度趋于光速c时，由（2.3.1）、（2.3.2）式和（2.4）式，黑洞的质量M和能量E趋于无限大，体积收缩为一点，要吸收空间的无限大能量。反之，接近光速c运动的黑洞逐渐减速，要向空间释放无限大能量。这就是速度-质量-能量效应[3-6]。这是星体巨大能量释放与高速运动相对应的原因。加速吸能减速放能，是星体运动的主要特征。太阳系从近银心点到远银心点作减速运动，向空间释放大量能量，形成白垩纪的温暖气候，仅地球的减速放能增温就能使地球平均增温17℃；反之，太阳系从远银心点到近银心点作加速运动，向空间吸收大量能量，形成石炭-二叠纪和第四纪的大冰期。有证据表明，近一亿年，海洋底层水降温15℃，大气降温10~15℃。这就是加速吸能减速放能的轨道效应。由于四大行星摄动产生的60年周期变化，2000年日地距离在冬至点达到最小值，北半球夏季最热冬季最冷，因为从近日点到远日点是减速运动, 近、远日点距离差越大，释放或吸收的能量也就越多。

2.6 质能喷射机制与黑洞吞噬物质和能量

    计算表明，当a=4GM/c²时，两个黑洞中心以（1/2）^1/2 c的速度绕公共重心旋转，黑洞视界为在公共重心o点处相切的椭圆，长轴在两黑洞重心的连线上，与长轴在o点垂直的平面是两黑洞引力的等位面，其他星体从无限远沿着等位面加速运动而来，在o点处接近光速c，吸收空间无限大能量，然后又减速而去，向空间释放无限大能量。o点是能量快速吸收与释放的转化点，因而是亮点和能量与质量转化点，形成吞噬与喷射能量与质量的能流与物质流。在这里Casimir效应十分显著，即空间充满着转瞬即逝的“虚拟粒子”[6，7]。喷流随黑洞的旋转形成脉动效应，类似脉动星的周期脉动机制。

    双星对称黑洞相当于一个巨型加速器。它把无限远处星体吸引到亮点，并以近光速喷出，所以o点又称为抛射点或白洞。同时，双星黑洞也提供黑洞天体自行消亡和增长的机制。因为双星黑洞的引力在o点为零，所以黑洞中的近光速运动物质可随物质流被抛射到无限远。与此相反，如果来自无限远的物质在o点处碰撞，速度变小或为零，则这些物质就散布在黑洞周围，最终被吸入黑洞。我们的模型表明，黑洞与白洞取决于宇宙的密度：当o点处的碰撞速率大于抛射速率，双星系统表现为黑洞特征（高速吸入物质与能量）；反之，则表现为白洞特征（高速喷出物质与能量）。它既不是完全封闭的（黑的），也不是完全开放的（白的）。人们正是观察到这些相互矛盾的现象无所适从。

    如果双星黑洞分别由物质与反物质构成，那末抛射点o提供了近光速运动的物质与反物质充分混合与碰撞的机会，这时抛射点抛出的不再是物质，而是物质与反物质碰撞湮灭后释放的巨大能量。近期研究表明，每个类星体所释放的能量是太阳能量的10¹⁵倍，而这个能量绝不是核能量[8]。本模型给出了一种可能解释。

3 理论预测

    根据数学模型的计算，双星黑洞之间有一个等势面（零势面）和喷发点（白洞）。黑洞内外的物质可以在白洞沿着零势面以近光速喷出，黑洞内外的物质也可以在白洞因碰撞减速而散落黑洞周围，最终落入黑洞。双星黑洞的质量增减取决于物质在白洞的碰撞几率：若碰撞的物质数量大于非碰撞的物质数量，则落入黑洞的物质数量多于喷出黑洞的物质数量，黑洞质量增大；否则，黑洞质量变小。该模型给出黑洞发展的两种可能，与那些只能吞噬周围物质不断增大的一般黑洞模型相区别。双星黑洞模型给出了黑洞与周围世界的密度平衡。当周围世界的密度较大，则黑洞内外的物质在喷发点被碰撞的几率变大，落入黑洞的物质变多，喷出黑洞的物质变少；当周围世界的密度变小，则黑洞内外的物质在喷发点被碰撞的几率变小，落入黑洞的物质变少，喷出黑洞的物质变多[1，2]。黑洞与周围世界的密度动态平衡使宇宙处于收缩和膨胀的交替运动之中。

4 观测证据

    根据中国公众科技网2003-04-01 10:39:57 周道奇的文章《超巨黑洞向星际空间“撒”生命元素》（资料来源：http://database.cpst.net.cn/popul/event/artic/30401103957.html），因撕碎和吞食恒星而闻名的超巨黑洞能向星际空间散布诞生生命所必需的元素，如氢、碳、氧和铁等。借助于“钱德拉”X射线望远镜和XMM-Newton卫星，美国宾夕法尼亚大学和麻省理工学院的研究人员发现了高速宇宙风，高速宇宙风将大量气体从两颗类星体中央刮走（从黑洞获取能量）。研究负责人乔治•恰尔塔斯博士指出,测量的结果表明，在类星体“一生”中被刮走的物质可与10亿颗太阳的质量相当。这些宇宙风可能还会调节黑洞的生长，加速新恒星的诞生。与亚原子粒子流不同，新的粒子流来自吸积圆盘，以前天文学家认为，从吸积圆盘向后没有通道。理论家曾提出，宇宙风会刮走吸积圆盘物质，将重元素撒满星际空间，宇宙风还会产生辐射压力。恰尔塔斯博士及其同事观察了类星体APM08279+5255和PG1115+080，他们对来自黑洞的气体速度以及物质接近黑洞的程度进行了评估，获得了首批观察证据，宇宙风将数量可观的碳、氧和铁转移到恒星间和星系际空间，宇宙风的最初速度约为光速的40%[9]。

    在双星黑洞数学模型中，高速宇宙风就是在黑洞强大引力下沿零势面高速运动的物质。最近美国科学家在《自然》杂志的一份报告提供了新的证据。

     图1高速宇宙风将大量气体从两颗类星体中央刮走

    
     图2类星体APM08279+5255和PG1115+080

参考文献

1．杨孝文。美科学家揭开黑洞喷射接近光速粒子流之谜。2008年04月25日 14:30  新浪科技。http://tech.sina.com.cn/d/2008-04-25/14302162457.shtml
2．Jean Pierre Lasota. 揭开黑洞的神秘外衣. 科学(Scientific American 中文版). 1999,(8):14~23
3．杨学祥. 双星对称黑洞模型及其时空特征. 自然杂志. 2001, 23（4）：246~247
4．杨学祥. 双星对称黑洞模型及其质能喷射机制. 中国学术期刊文摘(科技快报). 2000,6(4):506~508
5．杨学祥，陈殿友，宋秀环。太阳系行星公转速度变化与低温灾害。长春科技大学学报。1999，29（4）：344~348
6．杨学祥。行星摄动与黑洞佯谬。中国学术期刊文摘。2000，6（3）：365~367
7．Lawrence M. Krauss. 宇宙反重力.  科学(Scientific American 中文版). 1999,(4):15~21
8．李政道. 展望21世纪科学发展. 科学. 1999,51(1):17~24
9．周道奇。超巨黑洞向星际空间“撒”生命元素。发布日期：2003-04-02航天局网站。http://www.cnsa.gov.cn/n615708/n620172/n620646/n661309/45705.html

New Evidence of the Mathematics Model for the Two Black Holes
                                Yang Xuexiang
Professor,
College of Geo-exploration Science and Technology，Jilin University, Changchun 130026;
National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Science, Beijing100012

     Keywords: system of two black holes, expand and contract, matter erupting, white hole.

附图见：
杨学祥. 双星黑洞数学模型的新证据.发表于2008-4-27 6:31:51科学网。http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=23119

http://blog.gmw.cn/u/466/archives/2008/16910.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-313604.html