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问伊桑＃50：为什么宇宙没有变成黑洞？

考虑到所有这些问题和所有能量都集中在一个地方，并且在大爆炸时是如此密集-为什么宇宙不崩溃呢？


“ Es ist immer an angenehm，überstrengeLösungeneinfacher Form zuverfügen。” （以简单的方式为您提供确切的解决方案总是很高兴的）
-Karl Schwarzschild

即使您随时了解宇宙各地的所有物理定律，仍不足以预测宇宙的当前状态。因为，尽管物理定律建立了系统演化的规则，但它仍然需要一组初始条件才能启动。本周，我们的问题专门针对Adreas Lauser的问题，他问：
尽管我毫不怀疑“大爆炸”理论是正确的，或者可以说是发生的事情的一个很好的近似，但是当我想到宇宙学的这一部分时，我会反思一件事。宇宙没有立即变成黑洞这一事实是否有解释？我相信它的初始密度远高于Schwarzschild极限。

我们已经讨论了这个问题，但是您需要其他细节和比我那时给出的更好的答案。让我们回到100年前最成功的重力理论GR诞生的时刻。

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在爱因斯坦之前，牛顿的万有引力定律是公认的万有引力理论。他的理论描述了宇宙的所有引力现象，从地球上的质量加速到行星绕月球的轨道以及绕太阳绕行的行星的轨道。物体在彼此相互作用时施加相等且方向相反的吸引力，它们与质量成反比，并且这些力服从平方反比的普遍定律。到1900年代，该法律已经过严格的测试，没有发现例外。好吧，更准确地说，在成千上万的成功试验中，实际上没有找到它们。

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但是对于有远见的头脑和对细节感兴趣的人来说，存在两个问题。

1.在接近光速的极高速度下，牛顿关于绝对空间和时间的观念已无法应付。放射性粒子的寿命更长，距离被压缩，质量不是吸引的主要来源-这种荣誉似乎已经转化为能量，质量只是其形式之一。

2.在非常强的引力场中-至少由于这个原因，水星至少是我们太阳系中的一个特殊行星，围绕太阳旋转-牛顿对物体的引力行为的预测与观察结果略有不同，但很明显。看来，如果您非常接近大量的源，则会出现额外的吸引力，而牛顿的引力未将其考虑在内。

在这一切之后，出现了两个发展，为替代牛顿理论的新理论铺平了道路。这是一个精妙却非常古老的概念，描述了宇宙的工作原理。

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科学家的第一个发展是将空间和时间（以前认为是独立的实体）（三维空间和线性时间）组合在一个创建二维时空的数学装置中。这是由德国人Minkowski在1907年完成的：
我要向您介绍的关于空间和时间的观点是在实验物理学的基础上发展起来的，这就是它们的优势。[...]因此，空间本身和时间本身注定要在阴影中消失，只有两者的结合才能保持独立现实的作用。


这仅适用于平坦的欧几里得空间，但是从数学的观点来看，这个想法非常有力，所有广义相对论都成为其必然的结果。当这个想法应用于水星轨道问题时，考虑到新仪器，牛顿的预测稍微接近了观测到的参数，但仍未达到。

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爱因斯坦本人做了第二次发展，当时的想法是时空不是平坦的，而是弯曲的。决定时空曲率的唯一因素是能量在其所有形式中的存在，包括质量。爱因斯坦的仪器发布于1915年，极难用于计算，但为所有科学家提供了以新的精确度对物理系统进行建模的巨大机会。

闵可夫斯基的时空对应于一个不包含任何能量和任何类型物质的空宇宙。

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爱因斯坦能够找到一种解决方案，其中宇宙处于单点质量状态，前提是您不在该点上。它归结为牛顿在远距离的预测，但在小距离给出了更准确的数据。结果不仅与牛顿引力无法预测的水星轨道的观测相吻合，而且使得有可能对日光的曲率做出新的假设，这可以在日全食时看到-这些预测后来在1919年的日食中得到了证实。

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但是，还有另一种出乎意料且有趣的解决方案，在爱因斯坦（Einstein）发布ETO几周后提出。Karl Schwarzschild得出了任意大小的单点质量在配置中会发生什么的细节，他发现了惊人的发现：

  • 在较远的距离，爱因斯坦的解决方案行之有效，并简化为牛顿式结果
  • 但是非常接近质量，距离R = 2M（自然单位）时，您到达一个无法逃脱的点-事件范围。
  • 而且，事件视界内的所有事物都不可避免地崩溃为中心的奇点，这是爱因斯坦理论的必然结果。
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该解决方案，即Schwarzschild度量标准，是GR的第一个完整且重要的解决方案。

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让我们记住以上所有内容，然后继续探讨这个问题的实质：那个炎热，密集的早期宇宙怎么样？现在，所有物质和能量都散布在920亿光年的空间内，其体积不超过我们的太阳系？

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但是必须记住，与Minkowski时空一样，Schwarzschild解决方案是静态的，也就是说，其中的空间度量不会随时间变化。但是，还有许多其他解决方案-de Sitter空间，描述时空的Friedman-Robertson-Walker度量标准可以扩展或收缩。

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如果我们从宇宙大爆炸初期宇宙中所包含的物质和能量开始，我们的宇宙就不会膨胀，而是静态的，并且也不会有非零速度的粒子，并且粒子不会相互碰撞-所有这些能量将很快，几乎立即形成Schwarzschild黑洞。但是在GRT中，还有另一个重要的障碍：除了物质和能量的存在决定了空间的曲率这一事实之外，该空间中的所有事物还决定了时空本身的演化！

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最为令人惊讶的是，我们知道自大爆炸以来，我们的宇宙只有三种可能的发展选择，这取决于其中的物质和能量以及初始膨胀率。
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事实证明，我们几乎生活在Goldilocks区，但是增加了少量的暗能量，这稍微增加了膨胀率，这意味着最终，所有不受重力束缚的物质都将飞散并消失在深空的深渊中。

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令人惊讶的是，必须进行多少次精确的设置，才能使宇宙的膨胀率与物质和能量的密度相吻合，以至于我们既不会立即向后坍塌，也不会膨胀，从而无法形成建筑用的基本砖。这样的概率大约是十分之二十四分之一，并且等于两个人计算了其中包含的电子数量后发现它们与电子精度相同的概率。如果我们从宇宙大爆炸的那一刻起回到宇宙的年龄只有十亿分之一秒的时间，那么我们可以通过数值计算出密度和膨胀速度的调整程度。

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我认为这是一个令人难以置信的故事！

而且，尽管如此，我们还是可以用它来描述我们的宇宙，它并没有立即崩溃，并且膨胀速度也没有太快，因此无法在其中形成复杂的结构。相反，它引起了我们可以观察到的核，原子，分子，细胞，地质，行星，恒星，银河和星团现象的各种奇妙变化。幸运的是，我们存在，我们已经学会了所学到的一切，并且我们参与了进一步认识的过程：科学。

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Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN394791/

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