基于相對論和黑洞的新宇宙膨脹模型研究

徐州工業(yè)職業(yè)技術學院 江蘇 徐州 221140

1 引言

自一百多年前愛因斯坦發(fā)表廣義相對論后,人們利用其理論對宇宙進行了新的研究,并提出了標準宇宙學模型。然而隨著理論的進一步深入,標準宇宙學模型帶給人們越來越多的困惑,比如暴脹理論和暗能量等。盡管后來的科學家對此進行了及時的理論補丁,但這些理論補丁又帶來了新的問題,因此引來了一些人對標準宇宙學模型的質疑。有人猜測,宇宙就是一個大黑洞。本人就是在這種情況下,運用相對論原理,結合黑洞內部情況,進行了大膽的假設,構造了一個新的宇宙膨脹模型。

2 基于狹義相對論的宇宙膨脹模型

假設宇宙是個振蕩宇宙,周而復始的膨脹收縮,當宇宙半徑為l時,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為宇宙絕對半徑,即膨脹速度為零時的宇宙半徑。令T=R0/c

根據(jù)宇宙膨脹實際情況,解微分方程(4),可得:

上式中t為宇宙中心點的時間,其在宇宙空間內流失最快,也可稱之為宇宙絕對時間。至此,振蕩宇宙半徑、膨脹速度和膨脹加速度的表達式,已全部求出。

3 基于黑洞和相對論的新宇宙膨脹模型

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

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

此式表示無窮遠處所在空間為平直空間。

4 新宇宙膨脹模型特點

新模型下的振蕩宇宙是有層次結構的,宇宙外面還有母宇宙,同級中也會有姐妹宇宙,姐妹宇宙有可能一個是物質宇宙,另外一個是反物質宇宙。振蕩宇宙內部的弱引力場比較特殊,在作用距離范圍內,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,G不再是一個定值,隨宇宙的膨脹而不斷增大。由于在廣義相對論公式里面的G是定值,因此將廣義相對論應用在新模型下的宇宙膨脹方面是不適宜的。由于G平時變化非常非常小,在研究本級宇宙內的局部時空時,可把G當作常數(shù)使用,此時廣義相對論仍然是有效的。萬有引力常數(shù)類似哈勃常數(shù),兩者都是變量,但有時也可以當常數(shù)使用。

從宏觀上講,在宇宙反復的膨脹和收縮過程中,整個宇宙質量將會在某一時刻全部收縮在其中心(宇宙的中心也是黑洞的中心),此時,盡管宇宙密度會無限大,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,當宇宙的質量快收縮在一點時,宇宙里面都是高速運動的夸克粒子。從色動力學來看,高速運動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空,也不存在所謂的奇點。當宇宙在其中心附近收縮膨脹時,實現(xiàn)了引力與強作用力在極端條件下的高度統(tǒng)一。

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振蕩宇宙的空間大小是有限的,又是對稱的,因此絕對存在著宇宙的中心,宇宙沒有中心這個觀點在邏輯上就不嚴謹。宇宙膨脹是由于宇宙大爆炸,使物質具有了初速度,從而遠離宇宙中心(爆炸中心)的運動。

科學歷史上公認的兩位巨人,牛頓和愛因斯坦,他們都有各自的宇宙時空觀。新模型既堅持了部分牛頓宇宙時空觀的內容,又堅持了部分愛因斯坦的宇宙時空觀。兩者的思想在模型里面也得到充分融合。沒有絕對長度,就不會有相對長度。沒有絕對空間,就不會有相對空間。沒有絕對時間,就不會有相對時間。沒有絕對時空,就不會有相對時空。時間與空間緊密聯(lián)系在一起。本級宇宙里面的相對時空也有可能成為下一級宇宙的絕對時空。

由于振蕩宇宙引力場是對稱的保守力,以宇宙中心為原點的各球面都是等勢面,在等勢面上移動時,引力不做功。從任意一個等勢球面上的各點移到宇宙內任意一點,引力所做的功都是相同的。

5 新宇宙膨脹模型的應用

(1)暗能量和宇宙加速膨脹。在本文的宇宙膨脹新模型里面,因為宇宙是減速膨脹的,根本不需要任何暗能量。我們知道能量物質守恒定律,能量物質只能相互轉化,不會無中生有。在標準宇宙模型里面,隨著宇宙的膨脹,暗能量越來越多,它從哪里來,怎么解釋,這又是一個懸疑問題。而且愛因斯坦他本人也承認,“宇宙常數(shù)”只是一個錯誤的概念。

標準宇宙模型里的一些公式是在無引力場的基礎上推斷的,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幾乎為零,當距離越遠時,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,一項研究表明我們的宇宙正在加速膨脹。實際上,這項研究的前提是宇宙處在無引力場下的基礎上而獲得。如果宇宙處在引力場下,恒星發(fā)出的光在引力場下會發(fā)生引力藍移,從而使實際測量的宇宙紅移值小于真實的宇宙紅移值,恒星離我們的真實距離比測量距離更遠。

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

GZK極限是在1966年三個科學家所計算,由于宇宙微波背景輻射(只針對2.73K)與宇宙射線的預期交互作用,他們預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,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(相對宇宙中心)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。而且還可以預測超過GZK極限的射線主要來自銀河系外的某個方向,并非各個方向概率均等。

(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),因為如果一顆子星是中子星,其必然經(jīng)歷過猛烈的超新星爆炸,而此爆炸會將另一顆子星炸飛,從而使雙星系統(tǒng)瓦解。但實際觀測卻發(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,有些質量相對比較大的恒星會直接演化生成黑洞,質量小的會演化成白矮星。隨著宇宙膨脹,G不斷增大,一些白矮星會逐漸變成中子星,一些中子星也會逐漸變成黑洞。因此密近雙星中一個子星為中子星(黑洞)并不足為奇。

(4)暴脹理論。標準宇宙模型把宇宙里的光子數(shù)作為一個近似常數(shù),并用這個常數(shù)來對宇宙膨脹進行逆推,從而推出宇宙在某個時間下暴脹的空間必要性。新模型下的宇宙膨脹時,由于其體積越來越大,其內部的宇宙背景輻射光子也會越來越多,因此宇宙的光子數(shù)量根本就不是一個常數(shù),無法用光子數(shù)去逆推宇宙膨脹的時空關系。

由新模型下宇宙性質可知,暴脹理論失去了在其存在的前提條件。時空是緊密相連的,物質時空三者也是緊密相連的,不存在沒有物質的時空。空間膨脹超過了光速,也意味著物質運動超過了光速。如果暴脹理論成立,恐怕很多理論將要從頭改寫。

6 結論

本文首次將宇宙作為一個大黑洞進行了具體的研究,利用狹義相對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動方程。并利用新模型的特點對現(xiàn)在宇宙模型中的一些懸疑問題進行了一一說明。本模型進行了大膽假設,小心求證,由此得到的結論并未與以前任何公認的物理理論相沖突,只是對萬有引力常數(shù)這個物理量做了一點點改變,萬有引力常數(shù)的變動符合物理發(fā)展的規(guī)律。根據(jù)新模型的特點,本文提也出了預測,來證明本模型的正確與否。

綜上所述,新模型比宇宙標準模型更簡單,對一些天文現(xiàn)象解釋更簡單更合理,可以進一步推廣。