大爆炸初期物質密度極高，為啥宇宙沒有坍縮成黑洞？

天主不但玩骰子，還把它們丟到了看不見的處所。——斯蒂芬·霍金

今天要說一個既深刻又有趣的問題，先說一段話：宇宙降生于一個熾熱、濃密、體積很小的初始狀況！這段話不目生吧，翻來覆去說了良多遍，這就是描述宇宙熱大爆炸的起頭階段。那么聽到這段話大師有沒有想到一個問題：宇宙起頭于密度極高的物質區域，為啥沒有坍縮當作一顆黑洞？

若是你感覺這不是一個問題，或者認為宇宙一起頭怎么能塌縮當作黑洞呢？那么請考慮以下事實。從根基道理出發，在我們的宇宙中，物理心猿意馬律在任何時辰、任何處所不僅存在并且有用。質子、中子、電子、中微子包羅今朝還沒有發現的暗物質粒子，都具有質量可以彎曲時空，其初始密度比史瓦西極限要高良多，是以宇宙很有可能會在引力的感化下坍縮。你感覺呢？

可是我們的宇宙并沒有塌縮當作一顆黑洞，這申明在宇宙必然還發生了其他有趣的工作！那么讓我們回到100年前，我們最當作功的引力理論廣義相對論降生的時辰。

牛頓引力理論的興衰

在愛因斯坦之前，遍及接管的引力理論是牛頓萬有引力心猿意馬律。牛頓的理論描述了那時人們已知的所有引力現象，從地球上質量的加快度到環繞著行星的衛星軌道，再到環繞太陽運行的行星軌道。物體彼此施加巨細相等、偏向相反的引力，物體的加快度與質量當作反比，而且這個力從命平方反比心猿意馬律。到20宿世紀初，牛頓的引力理論貌似經受住了所有的考驗，沒有一個破例。

可是跟著時候的推移，人們也發現了牛頓引力有些瑕疵；對于加倍注重細節的人來說，有兩個問題:

在很是快的速度下也就是接近光速的速度下，牛頓關于絕對空間和絕對時候的概念不再當作立。放射性粒子的壽命變長或者飛翔距離縮短（例如：μ介子呈現在地球概況），而“質量”似乎并不是引力的根基來歷，而是能量（質量只是能量的一種形式）。

最壯大的引力場中，牛頓對物體引力行為的展望與我們所不雅察到的略有收支（例如無法詮釋的水星軌道進動問題，牛頓展望每宿世紀=5,557.62角秒，而現實不雅測值為 =5,600.73角秒）。這就仿佛，接近一個很是龐大的引力源時，會有一個額外的力，這個力牛頓無法詮釋。

在此之后，有兩個新的理論成長為愛因斯斯坦代替牛頓引力理論攤平了道路。

廣義相對論的一個簡單解：施瓦西懷抱

第一個本家兒要的理論是空間和時候的融合，以前被視為一個自力的三維空間和一個線性的時候量，被同一在一個數學框架中，締造了一個四維的“時空”。四維時空是由赫爾曼·閔可夫斯基在1907年完當作的：

“我想在你們面前闡述的時空不雅，是從嘗試物理學的泥土中萌生出來的。從此今后，空間自己，時候自己，注心猿意馬要磨滅在虛無縹緲的幻影里，只有兩者的連系才能連結自力的實際。

固然這只合用于平展的歐幾里得空間，但這個設法在數學上直接導致了狹義相對論的所有心猿意馬律的降生。當我們把時空的概念應用到水星軌道的問題上時，新框架下的牛頓展望更接近于不雅測值，但仍有不足之處。

第二個成長來自愛因斯坦本人，他認為時空是彎曲的。決議時空彎曲的恰是所有形式的能量，包羅質量在內。閔可夫斯基的時空對應于一個空宇宙，或一個沒有任何能量或物質的宇宙。

愛因斯坦認為在宇宙中，能量或質量能彎曲時空，能量的巨細也決議了空間的曲率，而其他小質量物體則沿彎曲時空的測地線運行。廣義相對論在大距離上可以簡化為牛頓理論，但在更近的距離上（強引力下）廣義相對論能給出了更精準的展望和成果。

廣義相對論給出的成果不僅與牛頓引力無法展望的水星軌道不雅測成果一致，并且還對全日食時代可見的星光偏轉做出了新的展望，這個展望后來在1919年的日食時代獲得了證實。

在愛因斯坦廣義相對論頒發的幾周后，廣義相對論方程別的一個驚人的解呈現了。卡爾·施瓦西（Karl Schwarzschild）進一步研究了具有肆意巨細質量、球狀物質分布的細節，施瓦西的發現很是驚人：

在長距離、遠引力場的極限下廣義相對論的解可以簡化為牛頓引力的成果。

在一個特心猿意馬的距離上（施瓦西半徑R = 2MG/v^2），一個質量天體味塌縮當作一個黑洞，在黑洞四周有一個任何工具都無法逃離的點：視界面。

在視界面內，所有進入的物體城市標的目的中間奇點坍塌，這是愛因斯坦理論的必然成果。

物質的初始速度為零且不與自身彼此感化的任何初始形態，無論其外形或密度分布若何，只要質量只夠大都將不成避免地坍塌當作靜止的黑洞。

史瓦西懷抱是迄今為止發現的第一個完整的廣義相對論解。

在領會了廣義相對論和施瓦西懷抱的布景，此刻讓我們看一下今天問題的焦點：那熾熱、濃密、早期的宇宙呢？在那邊，今朝漫衍在920億光年空間里的所有物質和能量，都包含在一個甚至沒有我們太陽系大的空間里。

在廣義相對論節制下的宇宙，在大爆炸后可能呈現的三種成果

我們需要知道的是，就像閔可夫斯基的時空一樣，史瓦西的解是靜態的，這意味著空間的懷抱不會跟著時候的推移而轉變。還有良多其他的解決方案，好比反德西特空間，還有弗里德曼－勒梅特－羅伯遜－沃爾克度規，用來描述膨脹或縮短的時空。（記住前面那段話就行）

若是我們從大爆炸早期宇宙的物質和能量出發，空間并沒有快速膨脹，而是一個靜態的宇宙，而且任何物質粒子之間也沒有輻射壓力或速度為零，所有這些能量會在極短的時候內形當作史瓦西黑洞（幾乎是剎時）。

可是廣義相對論還告訴我們：物質和能量的存在不僅決議了時空的曲率，并且空間中一切事物的性質和演化也決議了時空自己的演化！

我們知道，從大爆炸的那一刻起，我們的宇宙似乎只有三種可能的選擇，這取決于宇宙內部的物質和能量密度以及初始膨脹率：

宇宙的初始膨脹率對于其內部的物質和能量密度來說不敷大，這意味著宇宙會膨脹一段時候(很短的時候)，達到最大的尺寸，然后物質和能量會將宇宙在拉回來。說宇宙會坍縮當作黑洞是不準確的，因為空間自己會連同所有的物質和能量一路坍縮，發生一個奇點，稱為大坍縮。

宇宙初始膨脹率太大，遠遠超出了宇宙中物質和能量密度所供給的引力。在這種環境下，所有的物質和能量會以一種萬有引力無法將所有的宇宙當作分從頭堆積在一路的速度被快速分隔，并且對于大大都宇宙模子來說，這會導致宇宙膨脹得太快，以至于宇宙永遠無法形當作星系、行星、恒星，甚至原子或原子核！若是宇宙的膨脹速度跨越了空間所包含的物質和能量的總量，那么宇宙將會膨脹當作一個冷落、沉寂、嚴寒、空虛的宇宙。

最后一種環境就是，初始膨脹率幾乎和宇宙中物質和能量的密度相等，完美方才好！即宇宙若是再多一個質子就會處于大坍縮狀況，若是再少一個質子，宇宙就會膨脹到死寂！宇宙只是漸近于一種均衡的狀況，在這種狀況下，膨脹率會逐漸遲緩的下降到零，但從來不會完全反轉發生大坍縮。

能量密度和膨脹率的的精準匹配，才讓我們擁有了此刻看到的宇宙

事實證實，我們幾乎糊口在第三種環境下，只有一點點的暗能量被扔進了夾雜物中，使得膨脹率稍微大了一點，這意味著最終所有沒有被引力束厄局促在一路的物質將被宇宙膨脹推入深空的萬丈深淵。

為了使宇宙的膨脹率和物質與能量密度匹配得如斯之好，宇宙需要進行大量的微調，這樣宇宙既不會當即從頭聚合，也不會無法形當作物質的根基構成當作分！這有點像取兩小我，數一數他們體內的電子數，發現他們與一個電子內的電子數不異，宇宙就達到了這么精準的微調！事實上，若是我們回到宇宙只有一納秒（大爆炸之后）的時代，我們就可以量化物質、能量的密度和膨脹率的細微轉變。