我們知道，如今的宇宙極其空曠，如果把宇宙中的物質(zhì)全部打散然后均勻分布，那么每立方米僅有 6 個(gè)氫原子！這相當(dāng)于在地球這么大的空間里只有一粒沙！雖然如今的宇宙極度稀疏，但是按大爆炸理論來說，宇宙的早期應(yīng)該非常致密。如果密度足夠大就會(huì)形成黑洞的話，那為什么當(dāng)時(shí)的宇宙沒有直接坍縮成一個(gè)大黑洞呢？
根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)物質(zhì)被壓縮到足夠小的尺度時(shí)，物質(zhì)的密度足夠大便會(huì)使周圍的時(shí)空極度扭曲，扭曲到哪怕是光也無法從中逃脫，因此人們稱其為黑洞。隨著物質(zhì)的質(zhì)量不同，這個(gè)無法逃脫的范圍也不相同，表現(xiàn)出來就是不同的黑洞大小。
自然界中的黑洞，通常是些大質(zhì)量恒星死亡坍縮后形成的，也就是恒星級(jí)黑洞。除此之外還有更大的，比如星系中心那種超大質(zhì)量黑洞，它們的質(zhì)量甚至可以高達(dá)數(shù)百億倍太陽(yáng)質(zhì)量。這只是已經(jīng)在自然界中發(fā)現(xiàn)的天然存在的黑洞，而理論上來說，只要密度足夠高，即使質(zhì)量沒那么大也可以成為黑洞。比如假如把你壓縮到原子核大小，那么你就成為一個(gè)粒子級(jí)別的微型黑洞?？梢钥闯?，無論是大黑洞還是小黑洞，要想成為黑洞首先得有物質(zhì)，而這正是大爆炸之初宇宙所缺少的。
刨去 t=0 時(shí)刻的大爆炸奇點(diǎn)不說，在 1 個(gè)普朗克時(shí)間之前（10^-43 秒）的普朗克時(shí)期，雖然此時(shí)宇宙的半徑只有 1 個(gè)普朗克長(zhǎng)度，但是這時(shí)的宇宙中并沒有任何物質(zhì)。不僅是物質(zhì)，甚至連四大基本力這時(shí)候都還沒有各自獨(dú)立出來，此時(shí)它們還是統(tǒng)一在一起的“超力”。之后引力率先從超力中分離出來，雖然有了引力，但是此時(shí)宇宙中仍然沒有任何可被稱為物質(zhì)的東西。
到了 10^-36 秒，這時(shí)候的宇宙發(fā)生了一次重要的相變，這次相變不僅使強(qiáng)力分離了出來，同時(shí)還誕生了一種只與正常物質(zhì)存在微弱相互作用的大質(zhì)量奇異粒子 —— 暗物質(zhì)。雖然暗物質(zhì)究竟是什么至今仍不清楚，但是可以肯定的是它們有引力作用。既然引力和物質(zhì)都有了，這回總該能產(chǎn)生黑洞了吧？巧的是，還沒等暗物質(zhì)開始聚集，此時(shí)宇宙立刻進(jìn)入了瘋狂膨脹的暴脹時(shí)期。
暴脹是宇宙在極早期經(jīng)歷的一次極其短暫但是是指數(shù)級(jí)的快速膨脹。只用了 10^-33 秒的時(shí)間，整個(gè)宇宙膨脹了 10^26 倍，相當(dāng)于從一個(gè)原子瞬間膨脹到一整個(gè)星系的規(guī)模！這個(gè)速度之快已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光速，此時(shí)的暗物質(zhì)還沒來得及聚集，就已經(jīng)被均勻打散到了宇宙各處。有人可能會(huì)有疑問：那這物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)豈不超光速了嗎？由于宇宙膨脹是空間自身的一種膨脹，并不是物質(zhì)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，可以說只是一種視覺超光速，所以并不違背相對(duì)論。
綜上所述，即使宇宙在早期有著足夠高的密度，但是它本身并不會(huì)坍縮成黑洞。此外還有個(gè)關(guān)鍵的地方，這種“宇宙黑洞”和“宇宙中的黑洞”并不是一回事。平時(shí)我們說的黑洞，都是在宇宙空間中出現(xiàn)的，此處原本平坦的空間被質(zhì)量彎曲了。也就是說黑洞也在空間中，它只是空間中一處特殊的地方。但是宇宙之外沒有空間，至少?zèng)]有我們所謂的這種空間，所以嚴(yán)格來說這種“宇宙黑洞”并不是廣義相對(duì)論描述那種普通黑洞。
雖然宇宙本身無法變成黑洞，那宇宙中的物質(zhì)或者說某種能量會(huì)不會(huì)坍縮成黑洞呢？
一些密度漲落確實(shí)可能會(huì)造成某些區(qū)域的密度足夠高，從而產(chǎn)生一些小黑洞，它們可以被稱為“原初黑洞”。但是對(duì)于宇宙所有物質(zhì)整體坍縮成黑洞這事依然不可能，因?yàn)橛钪嬷形镔|(zhì)的密度太過均勻了。
想象一個(gè)位于均勻球體中心的點(diǎn)，該點(diǎn)受到的所有方向上的合力正好相互抵消，此時(shí)合力正好為 0。就像假如把你安全送達(dá)地球的地心，那么此時(shí)的你將基本處于失重狀態(tài)。
那對(duì)于中心以外的地方，那里的物質(zhì)不還是可以聚集嗎？別忘了，宇宙沒有所謂的中心，或者說宇宙處處是中心，具體這就要說到宇宙的形狀問題了。
之前我們說過，根據(jù)現(xiàn)階段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們的宇宙整體上是平坦的。這個(gè)平坦不是說宇宙是個(gè)二維平面，而是說它整體曲率是 0，可以理解成它是一個(gè)三維的歐幾里得空間。平坦的宇宙意味著什么呢？意味著我們宇宙可能是無限的，沒有盡頭。對(duì)于一個(gè)四面八方無限延伸且物質(zhì)均勻分布的空間來說，不管你在哪它受到的合力都為 0。
你可能又會(huì)有疑問：宇宙不是經(jīng)歷了大爆炸的膨脹階段嗎，那它應(yīng)該是從小變到大的呀，如果宇宙是無限的，那這個(gè)從小到大的過程又是怎么回事呢？
不得不說，這確實(shí)是個(gè)有意思且深刻的問題，只能說目前的觀測(cè)結(jié)果對(duì)于這兩種情況都是支持的。那我們?cè)撊绾卫斫馑兀?/p>
在宇宙學(xué)里，當(dāng)我們說宇宙從小變到大時(shí)，其實(shí)指的不是宇宙的總大小，而是宇宙的尺度因子。尺度因子可以理解為一個(gè)描述宇宙膨脹的參數(shù)。在大爆炸初期，宇宙的尺度因子非常小，也就是宇宙中的各點(diǎn)挨得非常近。隨著時(shí)間流逝，這些點(diǎn)開始彼此遠(yuǎn)離，對(duì)應(yīng)的就是尺度因子增大了。也就是說，說它變大只是內(nèi)部各點(diǎn)之間的間距變大了，對(duì)于整個(gè)宇宙來說它可能本來就是無限大的。總之宇宙膨脹并不要求宇宙是無限還是有限，一個(gè)無限的宇宙仍然可以從一個(gè)非常致密的狀態(tài)開始膨脹，從這點(diǎn)來看兩者并不沖突。
我知道，這確實(shí)很難理解，它有點(diǎn)像我們以前介紹過的永恒暴脹的概念。我們的宇宙只是整個(gè)宇宙的一部分，只是一塊已經(jīng)停止了暴脹的區(qū)域。在這之外，要么是仍然處于暴脹的區(qū)域，要么是另一個(gè)已經(jīng)停止暴脹的平行宇宙。
當(dāng)然，不管是大爆炸還是平坦宇宙，又或是永恒暴脹理論，這些都只是基于現(xiàn)有觀測(cè)證據(jù)的一些理論和猜想。所以呢，大家不用太在意宇宙大爆炸存不存在，宇宙到底有沒有邊界這些問題的答案。這些理論，甚至可以說所有的科學(xué)理論，它們都只代表了現(xiàn)階段的正確。假如未來有新的顛覆性證據(jù)出現(xiàn)，那么理論隨之修改就是了，大不了重新建立一套更完善的理論。但這并不意味著之前的理論就沒有用，它們的存在對(duì)整個(gè)科學(xué)發(fā)展史來說，仍然有著承上啟下的重要意義。
本文來自微信公眾號(hào)：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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