大爆炸初期物质密度极高，为啥宇宙没有坍缩成黑洞？

天主不但玩骰子，还把它们丢到了看不见的处所。——斯蒂芬·霍金

今天要说一个既深刻又有趣的问题，先说一段话：宇宙降生于一个炽热、浓密、体积很小的初始状况！这段话不目生吧，翻来覆去说了良多遍，这就是描述宇宙热大爆炸的起头阶段。那么听到这段话大师有没有想到一个问题：宇宙起头于密度极高的物质区域，为啥没有坍缩当作一颗黑洞？

若是你感觉这不是一个问题，或者认为宇宙一起头怎么能塌缩当作黑洞呢？那么请考虑以下事实。从根基道理出发，在我们的宇宙中，物理心猿意马律在任何时辰、任何处所不仅存在并且有用。质子、中子、电子、中微子包罗今朝还没有发现的暗物质粒子，都具有质量可以弯曲时空，其初始密度比史瓦西极限要高良多，是以宇宙很有可能会在引力的感化下坍缩。你感觉呢？

可是我们的宇宙并没有塌缩当作一颗黑洞，这申明在宇宙必然还发生了其他有趣的工作！那么让我们回到100年前，我们最当作功的引力理论广义相对论降生的时辰。

牛顿引力理论的兴衰

在爱因斯坦之前，遍及接管的引力理论是牛顿万有引力心猿意马律。牛顿的理论描述了那时人们已知的所有引力现象，从地球上质量的加快度到环绕着行星的卫星轨道，再到环绕太阳运行的行星轨道。物体彼此施加巨细相等、偏向相反的引力，物体的加快度与质量当作反比，而且这个力从命平方反比心猿意马律。到20宿世纪初，牛顿的引力理论貌似经受住了所有的考验，没有一个破例。

可是跟着时候的推移，人们也发现了牛顿引力有些瑕疵；对于加倍注重细节的人来说，有两个问题:

在很是快的速度下也就是接近光速的速度下，牛顿关于绝对空间和绝对时候的概念不再当作立。放射性粒子的寿命变长或者飞翔距离缩短（例如：μ介子呈现在地球概况），而“质量”似乎并不是引力的根基来历，而是能量（质量只是能量的一种形式）。

最壮大的引力场中，牛顿对物体引力行为的展望与我们所不雅察到的略有收支（例如无法诠释的水星轨道进动问题，牛顿展望每宿世纪=5,557.62角秒，而现实不雅测值为 =5,600.73角秒）。这就仿佛，接近一个很是庞大的引力源时，会有一个额外的力，这个力牛顿无法诠释。

在此之后，有两个新的理论成长为爱因斯斯坦代替牛顿引力理论摊平了道路。

广义相对论的一个简单解：施瓦西怀抱

第一个本家儿要的理论是空间和时候的融合，以前被视为一个自力的三维空间和一个线性的时候量，被同一在一个数学框架中，缔造了一个四维的“时空”。四维时空是由赫尔曼·闵可夫斯基在1907年完当作的：

“我想在你们面前阐述的时空不雅，是从尝试物理学的泥土中萌生出来的。从此今后，空间自己，时候自己，注心猿意马要磨灭在虚无缥缈的幻影里，只有两者的连系才能连结自力的实际。

固然这只合用于平展的欧几里得空间，但这个设法在数学上直接导致了狭义相对论的所有心猿意马律的降生。当我们把时空的概念应用到水星轨道的问题上时，新框架下的牛顿展望更接近于不雅测值，但仍有不足之处。

第二个成长来自爱因斯坦本人，他认为时空是弯曲的。决议时空弯曲的恰是所有形式的能量，包罗质量在内。闵可夫斯基的时空对应于一个空宇宙，或一个没有任何能量或物质的宇宙。

爱因斯坦认为在宇宙中，能量或质量能弯曲时空，能量的巨细也决议了空间的曲率，而其他小质量物体则沿弯曲时空的测地线运行。广义相对论在大距离上可以简化为牛顿理论，但在更近的距离上（强引力下）广义相对论能给出了更精准的展望和成果。

广义相对论给出的成果不仅与牛顿引力无法展望的水星轨道不雅测成果一致，并且还对全日食时代可见的星光偏转做出了新的展望，这个展望后来在1919年的日食时代获得了证实。

在爱因斯坦广义相对论颁发的几周后，广义相对论方程别的一个惊人的解呈现了。卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild）进一步研究了具有肆意巨细质量、球状物质分布的细节，施瓦西的发现很是惊人：

在长距离、远引力场的极限下广义相对论的解可以简化为牛顿引力的成果。

在一个特心猿意马的距离上（施瓦西半径R = 2MG/v^2），一个质量天体味塌缩当作一个黑洞，在黑洞四周有一个任何工具都无法逃离的点：视界面。

在视界面内，所有进入的物体城市标的目的中间奇点坍塌，这是爱因斯坦理论的必然成果。

物质的初始速度为零且不与自身彼此感化的任何初始形态，无论其外形或密度分布若何，只要质量只够大都将不成避免地坍塌当作静止的黑洞。

史瓦西怀抱是迄今为止发现的第一个完整的广义相对论解。

在领会了广义相对论和施瓦西怀抱的布景，此刻让我们看一下今天问题的焦点：那炽热、浓密、早期的宇宙呢？在那边，今朝漫衍在920亿光年空间里的所有物质和能量，都包含在一个甚至没有我们太阳系大的空间里。

在广义相对论节制下的宇宙，在大爆炸后可能呈现的三种成果

我们需要知道的是，就像闵可夫斯基的时空一样，史瓦西的解是静态的，这意味着空间的怀抱不会跟着时候的推移而转变。还有良多其他的解决方案，好比反德西特空间，还有弗里德曼－勒梅特－罗伯逊－沃尔克度规，用来描述膨胀或缩短的时空。（记住前面那段话就行）

若是我们从大爆炸早期宇宙的物质和能量出发，空间并没有快速膨胀，而是一个静态的宇宙，而且任何物质粒子之间也没有辐射压力或速度为零，所有这些能量会在极短的时候内形当作史瓦西黑洞（几乎是刹时）。

可是广义相对论还告诉我们：物质和能量的存在不仅决议了时空的曲率，并且空间中一切事物的性质和演化也决议了时空自己的演化！

我们知道，从大爆炸的那一刻起，我们的宇宙似乎只有三种可能的选择，这取决于宇宙内部的物质和能量密度以及初始膨胀率：

宇宙的初始膨胀率对于其内部的物质和能量密度来说不敷大，这意味着宇宙会膨胀一段时候(很短的时候)，达到最大的尺寸，然后物质和能量会将宇宙在拉回来。说宇宙会坍缩当作黑洞是不准确的，因为空间自己会连同所有的物质和能量一路坍缩，发生一个奇点，称为大坍缩。

宇宙初始膨胀率太大，远远超出了宇宙中物质和能量密度所供给的引力。在这种环境下，所有的物质和能量会以一种万有引力无法将所有的宇宙当作分从头堆积在一路的速度被快速分隔，并且对于大大都宇宙模子来说，这会导致宇宙膨胀得太快，以至于宇宙永远无法形当作星系、行星、恒星，甚至原子或原子核！若是宇宙的膨胀速度跨越了空间所包含的物质和能量的总量，那么宇宙将会膨胀当作一个冷落、沉寂、严寒、空虚的宇宙。

最后一种环境就是，初始膨胀率几乎和宇宙中物质和能量的密度相等，完美方才好！即宇宙若是再多一个质子就会处于大坍缩状况，若是再少一个质子，宇宙就会膨胀到死寂！宇宙只是渐近于一种均衡的状况，在这种状况下，膨胀率会逐渐迟缓的下降到零，但从来不会完全反转发生大坍缩。

能量密度和膨胀率的的精准匹配，才让我们拥有了此刻看到的宇宙

事实证实，我们几乎糊口在第三种环境下，只有一点点的暗能量被扔进了夹杂物中，使得膨胀率稍微大了一点，这意味着最终所有没有被引力束厄局促在一路的物质将被宇宙膨胀推入深空的万丈深渊。

为了使宇宙的膨胀率和物质与能量密度匹配得如斯之好，宇宙需要进行大量的微调，这样宇宙既不会当即从头聚合，也不会无法形当作物质的根基构成当作分！这有点像取两小我，数一数他们体内的电子数，发现他们与一个电子内的电子数不异，宇宙就达到了这么精准的微调！事实上，若是我们回到宇宙只有一纳秒（大爆炸之后）的时代，我们就可以量化物质、能量的密度和膨胀率的细微转变。