基于相对论和黑洞的新宇宙膨胀模型研究

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1 引言

自一百多年前爱因斯坦发表广义相对论后,人们利用其理论对宇宙进行了新的研究,并提出了标准宇宙学模型。然而随着理论的进一步深入,标准宇宙学模型带给人们越来越多的困惑,比如暴胀理论和暗能量等。尽管后来的科学家对此进行了及时的理论补丁,但这些理论补丁又带来了新的问题,因此引来了一些人对标准宇宙学模型的质疑。有人猜测,宇宙就是一个大黑洞。本人就是在这种情况下,运用相对论原理,结合黑洞内部情况,进行了大胆的假设,构造了一个新的宇宙膨胀模型。

2 基于狭义相对论的宇宙膨胀模型

假设宇宙是个振荡宇宙,周而复始的膨胀收缩,当宇宙半径为l时,其膨胀速度为v,且满足(1)式,如用半径R代替l,则(1)式可改写为:

上式中R0为宇宙绝对半径,即膨胀速度为零时的宇宙半径。令T=R0/c

根据宇宙膨胀实际情况,解微分方程(4),可得:

上式中t为宇宙中心点的时间,其在宇宙空间内流失最快,也可称之为宇宙绝对时间。至此,振荡宇宙半径、膨胀速度和膨胀加速度的表达式,已全部求出。

3 基于黑洞和相对论的新宇宙膨胀模型

由(8)式可知,振荡宇宙的绝对半径与其质量成正比。有意思的是,黑洞的史瓦西半径也与其质量成正比,而且两者的表达式仅是系数不同。如果黑洞与宇宙两者质量完全相同,那宇宙绝对半径为黑洞史瓦西半径的一半,这么说宇宙在黑洞内振荡膨胀完全是有可能的。

既然如此,我们不妨用广义相对论来对黑洞内部进行以下分析。用广义相对论研究黑洞,有著名的史瓦西度规(取光速c=1),即[2]

此式表示无穷远处所在空间为平直空间。

4 新宇宙膨胀模型特点

新模型下的振荡宇宙是有层次结构的,宇宙外面还有母宇宙,同级中也会有姐妹宇宙,姐妹宇宙有可能一个是物质宇宙,另外一个是反物质宇宙。振荡宇宙内部的弱引力场比较特殊,在作用距离范围内,引力随两者之间距离的增大而增大。

由(12)可知在振荡宇宙膨胀时,G不再是一个定值,随宇宙的膨胀而不断增大。由于在广义相对论公式里面的G是定值,因此将广义相对论应用在新模型下的宇宙膨胀方面是不适宜的。由于G平时变化非常非常小,在研究本级宇宙内的局部时空时,可把G当作常数使用,此时广义相对论仍然是有效的。万有引力常数类似哈勃常数,两者都是变量,但有时也可以当常数使用。

从宏观上讲,在宇宙反复的膨胀和收缩过程中,整个宇宙质量将会在某一时刻全部收缩在其中心(宇宙的中心也是黑洞的中心),此时,尽管宇宙密度会无限大,但由于万有引力系数为零,从而使其引力为零。从微观来看,当宇宙的质量快收缩在一点时,宇宙里面都是高速运动的夸克粒子。从色动力学来看,高速运动的夸克粒子之间作用力为零。因此无论从宏观还是微观来看,黑洞中心没有无限弯曲的时空,也不存在所谓的奇点。当宇宙在其中心附近收缩膨胀时,实现了引力与强作用力在极端条件下的高度统一。

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振荡宇宙的空间大小是有限的,又是对称的,因此绝对存在着宇宙的中心,宇宙没有中心这个观点在逻辑上就不严谨。宇宙膨胀是由于宇宙大爆炸,使物质具有了初速度,从而远离宇宙中心(爆炸中心)的运动。

科学历史上公认的两位巨人,牛顿和爱因斯坦,他们都有各自的宇宙时空观。新模型既坚持了部分牛顿宇宙时空观的内容,又坚持了部分爱因斯坦的宇宙时空观。两者的思想在模型里面也得到充分融合。没有绝对长度,就不会有相对长度。没有绝对空间,就不会有相对空间。没有绝对时间,就不会有相对时间。没有绝对时空,就不会有相对时空。时间与空间紧密联系在一起。本级宇宙里面的相对时空也有可能成为下一级宇宙的绝对时空。

由于振荡宇宙引力场是对称的保守力,以宇宙中心为原点的各球面都是等势面,在等势面上移动时,引力不做功。从任意一个等势球面上的各点移到宇宙内任意一点,引力所做的功都是相同的。

5 新宇宙膨胀模型的应用

(1)暗能量和宇宙加速膨胀。在本文的宇宙膨胀新模型里面,因为宇宙是减速膨胀的,根本不需要任何暗能量。我们知道能量物质守恒定律,能量物质只能相互转化,不会无中生有。在标准宇宙模型里面,随着宇宙的膨胀,暗能量越来越多,它从哪里来,怎么解释,这又是一个悬疑问题。而且爱因斯坦他本人也承认,“宇宙常数”只是一个错误的概念。

标准宇宙模型里的一些公式是在无引力场的基础上推断的,因此这些公式在新宇宙模型只能是一种近似成立,比如哈勃公式。这种系统误差在近距离使用时几乎为零,当距离越远时,引力场做功也就越多,误差随距离变大而快速递增。

约二十年前,一项研究表明我们的宇宙正在加速膨胀。实际上,这项研究的前提是宇宙处在无引力场下的基础上而获得。如果宇宙处在引力场下,恒星发出的光在引力场下会发生引力蓝移,从而使实际测量的宇宙红移值小于真实的宇宙红移值,恒星离我们的真实距离比测量距离更远。

(2)宇宙背景辐射和GZK极限。用量子力学研究黑洞辐射可知,黑洞既对外辐射又对内辐射,前者称之为霍金辐射,后者对我们振荡宇宙而言,是实实在在的宇宙背景辐射,所有的宇宙背景辐射都来自于一个内射光球面(史瓦西球面),这个光球面是一个等势面,从它上面发射过来的射线投射到宇宙内任何一个点上时,宇宙引力场对其所做的保守功是一样的,只要射线发射时能量相同(超大型的黑洞,在一个宇宙膨胀收缩时间段内,可以近似认为其表面温度不变),那么接受的射线能量也必定相同,而与路径无关。这就是宇宙背景辐射各向同性的根本原因。

GZK极限是在1966年三个科学家所计算,由于宇宙微波背景辐射(只针对2.73K)与宇宙射线的预期交互作用,他们预测地球上不能观测到超过阈值5×10^19电子伏特宇宙射线源,但在实际中确能观测到。

由于引力场,振荡宇宙微波背景辐射光子的能量并不是均匀分布的。由宇宙中心往外,其光子的能量越来越小;从宇宙边缘往内,可观测到的宇宙射线光子能量越来越小。超过GZK极限的射线完全可以从银河系外侧(相对宇宙中心)穿过来,因此在地球上发现超过GZK极限的射线并非怪事。而且还可以预测超过GZK极限的射线主要来自银河系外的某个方向,并非各个方向概率均等。

(3)密近双星。密近双星系统中,其中一颗子星首先演化成为中子星。初看上去,这种情况不大可能出现,因为如果一颗子星是中子星,其必然经历过猛烈的超新星爆炸,而此爆炸会将另一颗子星炸飞,从而使双星系统瓦解。但实际观测却发现,双星系统中,的确有一颗子星是中子星的情况。

在振荡宇宙膨胀早期,G特别小,有些质量相对比较大的恒星会直接演化生成黑洞,质量小的会演化成白矮星。随着宇宙膨胀,G不断增大,一些白矮星会逐渐变成中子星,一些中子星也会逐渐变成黑洞。因此密近双星中一个子星为中子星(黑洞)并不足为奇。

(4)暴胀理论。标准宇宙模型把宇宙里的光子数作为一个近似常数,并用这个常数来对宇宙膨胀进行逆推,从而推出宇宙在某个时间下暴胀的空间必要性。新模型下的宇宙膨胀时,由于其体积越来越大,其内部的宇宙背景辐射光子也会越来越多,因此宇宙的光子数量根本就不是一个常数,无法用光子数去逆推宇宙膨胀的时空关系。

由新模型下宇宙性质可知,暴胀理论失去了在其存在的前提条件。时空是紧密相连的,物质时空三者也是紧密相连的,不存在没有物质的时空。空间膨胀超过了光速,也意味着物质运动超过了光速。如果暴胀理论成立,恐怕很多理论将要从头改写。

6 结论

本文首次将宇宙作为一个大黑洞进行了具体的研究,利用狭义相对论建立了基于黑洞的宇宙膨胀新模型。从新模型中求出了宇宙的运动方程。并利用新模型的特点对现在宇宙模型中的一些悬疑问题进行了一一说明。本模型进行了大胆假设,小心求证,由此得到的结论并未与以前任何公认的物理理论相冲突,只是对万有引力常数这个物理量做了一点点改变,万有引力常数的变动符合物理发展的规律。根据新模型的特点,本文提也出了预测,来证明本模型的正确与否。

综上所述,新模型比宇宙标准模型更简单,对一些天文现象解释更简单更合理,可以进一步推广。