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张洞生新黑洞理论之5(上)==用「新黑洞理论公式」

2017-01-17  私有资料

霍金:「人類的思想史就是試著去理解宇宙的歷史。」

普朗克:「一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明,而是通过这些反对者们最终死去,熟悉它的新一代成长起来。

 

<</span>前言>; 在上一篇「新黑洞理论之4」一文中,作者证明了‘我们现今的宇宙’就是一个‘名符其实’的「史瓦西宇宙黑洞」,它诞生来源于‘普朗克领域’的无数的‘普朗克粒子mp=Mbm最小黑洞’的合并、所产生的‘原初暴涨’后的、一直以光速C膨胀到现在,哈勃常数近年的实测数值就是证明。‘我们宇宙黑洞’经过137亿年的膨胀,使其成为现在一个「史瓦西宇宙黑洞--Mub =8.8×1055g ? 1056g」。

下面,作者就用前面各篇里的「新黑洞理论中的公式」,在「我们宇宙黑洞」在137亿年的膨胀演变过程中,抽样取出其中有某些特殊意义和有代表性的时间点,计算出各点的各种物理参数值,这些参数值就构成了我们宇宙演变的、有精确数值的完整的<</span>时间简史>。这些数值是与‘近代天文观测数据’和‘宇宙大爆炸标准模型’的数据相符的。这些数据是深入认识我们宇宙历史的丰富宝库。因为从爱因斯坦在1915年发表广义相对论方程以来,还没有一个科学家能够计算出宇宙演变的<</span>时间简史>中,任何一个时间点的完整准确的各个物理参数值。

<</span>关键词>;新黑洞理论和公式;我们宇宙演变有精确数值的完整的<</span>时间简史>;宇宙膨胀演变过程中一些有特殊意义和有代表性的时间点的各种参数值;宇宙演变<</span>时间简史>的各种参数值是认识研究宇宙历史的资料宝库;

 

<1>; 從宇宙演变过程中的8種大小不同的典型黑洞Mb的完整准确的物理参数值,可较清楚地认识‘我们宇宙黑洞’各个时期的状态特性及其變化規律。

利用「新黑洞理论」的各式和其它的物理学中的一些各式,作者计算出来了下面表二中的資料数据,这是分析研究黑洞和宇宙起源演變过程的寶庫,並將‘黑洞理論’和‘宇宙學’緊密地聯繫在一起,成为我們宇宙演變的有實際資料和數據的完整的「時間簡史」。

從前面「新黑洞理论之4」一文中可知,一旦「前辈宇宙」在「大塌缩—Big Crunch」,形成无数‘最小黑洞Mbm’在普朗克领域爆炸消亡后,就会少许降低密度和温度,而随即聚集成新的无数的‘次小黑洞Mbs =2 Mbm最小黑洞’,它们就是诞生我们现在新‘宇宙黑洞’的原始细胞。以后就因为‘小黑洞’们的不停地合并而膨胀降温,直到成为现在的‘宇宙黑洞’。为了数据计算的简便起见,我们权且将Mbm最小黑洞代替次小黑洞Mbs作为诞生我们宇宙(黑洞)的#1黑洞—最小黑洞Mbm。当Mbs在普朗克領域生成之後,它們仍然在宇宙最高密度為1092g/cm3和最高温度1032k的‘宇宙包Mubr’裡是互相緊貼著的。它們最初的合併造成了宇宙的「原初暴漲」,即「大爆炸」它們只有继续在不停地合併和膨脹才能降低內部的壓力和溫度。在「原初暴漲」後,#1最小黑洞「暴漲」成為21015g #2微型黑洞,即宇宙原初小黑洞。但這許多的微型黑洞仍然是在高密度約1053g/cm3下緊貼在一起,他們的繼續合併造成宇宙的繼續以光速C膨脹,即從下面表二中從#1最小黑洞經過T #2微型黑洞T#3型黑洞T#4月亮级黑洞T #5辐射时代结束时的‘透明黑洞’ T #6的3个太阳质量的‘恒星级黑洞’ T #7星系或星团中心的‘巨型黑洞’,直到最后成為T #8‘我們宇宙巨无霸黑洞—CBH’。這就是我們宇宙黑洞膨胀演變的<</span>時間簡史>。从#1T #8几个特殊黑洞各有其特色的性质,下面将分别论述。各個時期的「宇宙黑洞」的各個參數值均經計算後列於表二中。

第一;计算出‘宇宙黑洞’<</span>时间简史>过程中的8种特殊黑洞的各种物理参数值所须用的公式

本表与原书《黑洞宇宙学概论》的区别在于增加了一个#5透明黑洞Mbt

表二中列出了宇宙在膨脹過程中8種典型黑洞的參數值,所有公式在以前「新黑洞理论之1、2、3、4」4篇文章中都举出了其来源和推导,列计算公式如下:

下面5个公式完全适用于球对称无旋转无电荷的、任何大小的史瓦西黑洞。

(1a)是霍金的黑洞温度公式,这是霍金对黑洞理论最伟大的贡献。

MbTb = (C 3/4G) (h/2πκ) ≈ 1027gk    [1]         (1a)

按質-能轉換為輻射能Er的閥溫的能量等價公式,

Ess = mssC2 = κTb = νssh/2π = Ch/2πlss           (1b)

(1c)式是史瓦西(Karl Schwarzschild)对爱因斯坦‘广义相对论方程’得出的第一个特殊解,它规定了黑洞存在的‘充要条件’。

GMb/Rb = C2/2;  Mb=0.6751028Rb [2]               (1c)

将 (1b)的mssC2 = κTb代入(1a),可得到作者在Rb上一个普适的新公式,

mss Mb = hC/8πG = 1.18710--10g2                 (1d)

由‘部分不可能大于全体的公理’,即可得到另一个普适的新公式

mss = Mbm= (hC/8πG)1/2 = mp=1.0910—5g                 (1e)

相对应地,按照上面的公式,得出最小黑洞Mbm = mp普朗克粒子的其它参数Rbm,Tbm,tsbm,ρbm的公式和数值如下,

\Rbm≡Lp [3]≡(Gh/2πC3 )1/2≡1.6110—33cm        (1g)

\Tbm ≡T p [3]≡0.711032k                       (1h)

\最小黑洞Mbm的康普顿时间Compton time tc = 史瓦西时间tsbm , 于是, 

\tc= tsbm=Rbm/C=1.6110--33/31010=0.53710—43s,   (1j)

\ρbm = 0.61093g/cm                                       (1k)

下面ρb是任一黑洞Mb的平均密度。运用球体公式Mb=4πρRb3/3于(1c)式,可得出另外一个与(1c)式等价的、普适的史瓦西黑洞的公式如下:

ρbRb2 = 3C2/(8πG) = Constant = 1.61027g/cm      (1m)

下面先计算出#5透明黑洞Mbt的能量-质量Mbt:它在宇宙年龄为385000年时、即宇宙‘辐射时代’结束时消失,其视界半径Rbt=CAu=310103850003.156 107 =3.61023cm;\Mbt=0.67510283.61023=2.51051g;Tbt=4 10—25k;

令 ni = Mb/mss = (Mb/Mbm)2 = Im/Io = SB/SBbm     (1n)

按照霍金的黑洞寿命公式 τb = 10—27Mb3        (1p)

所以微分後 b = 3×10--27 Mb2dMb如果令dMb = 1mss   dτb就是黑洞發射2個鄰近mss之間所需的間隔時間。得--dτb

--dτb ? 3×10--27 Mb2dMb = 3×10--27Mb× Mbmss ? 0. 356×10--36Mb (1r

按照「新黑洞理论之3」一文中的公式,得出,

λss = 2Ctsb = 2Rb, 而頻率νss = C/λss                (1s)

   霍金辐射mss的信息量Io =mssC2×2ts = h/2π        (1t)

   黑洞Mb的总信息量Im = 4GMb2/C = niIo.       (1u)。

黑洞Mb的总熵 Sb = niπ = πMb/mss                      (1v)

按照‘大爆炸标准宇宙模型’的资料,宇宙从诞生的‘辐射时代’结束时,

宇宙年龄Au=tu与宇宙温度Tu的关系式为下面的(2b)

Tt1/2= k1                                 (2b)            

 

张洞生 <wbr> <wbr> <wbr> <wbr> <wbr>新黑洞理论之5 <wbr>(上) <wbr> <wbr>==用「新黑洞理论公式」

第二;表二: 宇宙在膨脹過程中8種典型黑洞的各種參數值列在下面的中

黑洞型號; #1最小黑洞Mbm=10--5g; #2微型黑洞Mbo=2×1015g; #3小型黑洞Mbx=2×1018g; #4月亮级黑洞Mby=1026g; #5最后的同温同密度黑洞Mbt=2.51051g;#6恒星級黑洞Mbh=6×1033g; #7巨型黑洞Mbj=1042g; #8宇宙黑洞Mub=1056g;

黑洞

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

#8

Mb(g);

10--5g;

2×1015

2×1018

1026

2.51051

6×1033

1042

1056

Rb(cm);

10--33;

10--13;

10--10;

10--2

3.61023

106;

1014

1028

Tb(k);

1032;

1011;

108;

  8

410—25

10--7

10—15

10--29

tbsr=Au

5

10—44

3

10--24

3

10--21

3

10--13

3.85×

105ys

3

10--5

3

103

137亿年

rb(

g/cm3);

7×1092;

7×1052

2×1046;

7×

1030;

10--20

1.5×

1015;

7×

10—2;

7×

10—30;

mss(g)

10—5;

10—24;

10—27;

10—36

4×10--62

10—44;

10—52;

10—66;

ni

1;

1039;

4×1046;

1062;

10113;

4×1077

1094;

10122;

Tuk

1032;

1022

1020.5

1015.5

4720

 

 

 

τb(sy);

10--42s;

1010ys

8×1027ys

1044

ys

10119ys

1066ys

1092ys

10134

ys

λss(cm)

10--33;

10--13;

6×10--10;

10--2;

7,21023

2×106

3×1014

3×1028

νss(s-1

1043;

1023;

0.5×1020

1012;

410--14

2×104

10--4;

10--18;

b(s)

10—42;

10—21;

10—18;

10—11

1015

10—3;

105;

1012ys

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Er(erg)

1016;

10--3;

10--7;

10--15

4×10--41

10--23;

10--31;

10--46;

Im(Io)

Io=

h/2π

1039 Io;

4×1046Io;

4×

1062Io

10113 Io

4×1077Io

4×1094Io;

10122 Io

Sb

π

1039π

4×1046π

1062π

10113π

1077π

1094π

10122π

 

<2>;从‘我们史瓦西宇宙黑洞’膨胀演变过程中的<</span>时间简史>的表二中,看看‘我们宇宙’演变的一些特性和规律

  

第一;我們宇宙黑洞的生長衰亡規律和過程,我們宇宙演變的實際的<</span>時間簡史>。

本文用黑洞新理論和公式計算出來的宇宙演變不同时间点資料的表二是一部宇宙各個時間各參數值準確的新<</span>時間簡史>,它自洽地描述了我們宇宙作為黑洞137億年來平滑高速的膨脹演變過程。

而表現這個過程的各個物理參數之所以能夠連續平滑的演變,就是因為哈勃定律(H = 1/t)的参数值证实了我們宇宙黑洞的視界半徑Ru= Rb一直以光速C在膨脹,這是無數最小黑洞Mbm≡ mp一直在不斷地合併的結果。近一百年來,無數科學家們耗盡心血,也未提出宇宙演變任何一個時期各種物理參數(Mu,Ru,Tu,ρu,tu,,,)的正確的、自洽的任何資料,「大爆炸」標準宇宙模型實際上只較準確地解決了從宇宙誕生到輻射時代結束之間的t—T關係問題,即Tt1/2 = k1問題,對其餘的物理參數值是沒有計算的公式的;而在物質占統治時代,Tt2/3 = k2的誤差是相當大的。而且作者上一篇文章《新黑洞理论之4》對宇宙誕生於最小黑洞Mbm、原初暴漲、宇宙膨脹的哈勃定律都作出了新的論證和少量关键數值的計算,還沒有任何一個資料是違反近代精密觀測儀器的測量記錄的。

表二中黑洞質-能量Mb從10-5g ~ 1056g就是我們宇宙黑洞從誕生到現今的連續膨脹過程和演變歷史。宇宙在以光速C連續膨脹過程中,黑洞由小變大,列舉上面8種黑洞,各有其代表的特殊意義。我們宇宙在137億年以前誕生於無數宇宙最小黑洞Mbs ? 2Mbm及其後的合併,膨脹而成為現今Mu=1056g的‘宇宙大黑洞’。祂的這個膨脹過程完全證明‘我們宇宙黑洞’完全是一個開放過程和不可逆过程僅僅這一點就證明廣義相對論方程对解决黑洞和宇宙学问题的無能為力。所以只能用本書中新黑洞理論的5個公式取代該方程以解決黑洞和宇宙學中演變中的各種問題。

關於我們宇宙黑洞今後的膨脹演變有3種可能性:(1如果現今宇宙黑洞外面已無能量-物質可被吞噬,宇宙黑洞就會一直發射霍金輻射,再經過約10134年以後,將收縮成為Mbm = mp ? 10--5g的最小黑洞消亡在普郎克領域。(2)如果宇宙黑洞外尚有能量-物質可供吞噬,或者未來會與另外的宇宙大黑洞碰撞和合併。那麼,我們宇宙黑洞就會繼續因吞噬外界能量-物質而膨脹,在合併其它黑洞和吞噬完所有能量-物質後,就會不停地發射霍金輻射而不停地收縮,直到最後收縮成為Mbm = mp ? 10--5g普朗克粒子而消亡在普朗克領域。但宇宙的壽命就會大大的增加,而壽命 >> 10134年。(3)如果我們宇宙誕生時的‘原生宇宙包’内的總能量-物質Mua > Mub(= 1056g),即誕生時Mbm的數目多多於Nbu = 8.8×1060的數目,即‘我們现在宇宙黑洞’外還有許多原生的Mbm,那麼我們宇宙黑洞就可能會繼續以光速C的速度膨脹一段时间,直到將所有Mbm都囊括進來為止。然後會以小於光速C的速度膨脹,吞噬完外界的能量-物質後,而後回到上面(2)的結果。這就是我們宇宙黑洞的一個生死輪回,即<</span>時間簡史>。它符合宇宙中任何事物都有生長衰亡的普遍規律。所有黑洞最后的命运就是收缩成为Mbm≡ mp而爆炸解体消亡在普朗克领域。‘我们宇宙黑洞’从宇宙最高温最高密度的能量子mpMbm诞生和膨胀降温,到最后因发射霍金辐射mss=Mbm≡ mp而爆炸消亡,完成了‘我们宇宙’生长衰亡的生命过程,这是一个不可逆过程。按照佛教的基本观点,宇宙有無量無邊那麼多的世界,每一個世界包括‘我们宇宙’在内,都會經過「成住壞空」四個步驟,這叫一個大劫。

本文的新理論和公式定性定量地確定了我們宇宙黑洞的命運只決定於其總質-能量Mb的值,而与其内部的成分结构和运动状态无关。

第二;‘元黑洞Mo’,即宇宙在以光速C膨胀过程中,如果一个人在Mo内,任何时间点,他就只能看到其视界半径Ro=Ctuo(的史瓦西时间)= CAu(宇宙年龄)内的宇宙,在Ro之外的宇宙,他是看不见的。

前面已經證明,我們宇宙黑洞—CBHMub = 1056g誕生於Nbu =1061個最小黑洞Mbm = mp = 1.09105g其視界半徑Rbm = 10—33cm我們可將最小黑洞Mbm稱之為宇宙黑洞—CBH的「元黑洞Mo」。任何一个人此時Mbm内,他的视界只能在Rbm = 10—33cm內;虽然那时整個宇宙Mub = 1056g的視界半徑Rub = 10—13cm,此人见不到Rbm之外的世界。隨著许多Mbm的合并,使得元黑洞Mo内包括的Mbm愈来愈多,Mo随着其史瓦西時間tuo=Au的增長而长大,随着Ro= Ctuo而增長,宇宙中Mbm因变大而其数目Nbu在減少,而只有Mu =Mub=1056g保持為常數,Ro < Rub。只有到了現今,Mo才膨脹成為 1個大「元黑洞Mo= 宇宙黑洞Mub = 1056g,而达到使得Ro= Rub如果從宇宙誕生起,就有人類住在某「元黑洞Mo」內的話,那麼,他所能看到的世界永遠只有其Rb的範圍,而不知道自己「元黑洞Mo」之外還有無數的其它的「元黑洞」,他的視界半徑Ro隨著tuo的增長而增長,可看见和体验上面表二中的8种黑洞,而直到宇宙誕生後137億年的今天,他才能看到一個Mub = 1056gRo=Rub=1.31028cm现今大宇宙黑洞。但是他仍然看不到這個宇宙之外是什麼。不過,科學家們現在可從宇宙誕生時的微波背景輻射的異常現象,可判斷出我們宇宙之外,還有大宇宙和其它的平行宇宙的存在。

 

第三;我們宇宙的物質按照不同的溫度呈現出有序連接的类似固體態、液體態、氣體態、等離子態的4態。

本文在論證和計算黑洞宇宙的演變過程中,似乎無意中看到了宇宙也有4態,「黑洞新理論將這4態也有序地連接起來了。(1)當黑洞收縮成為最小黑洞Mbm= mp時,就成為宇宙中最高溫最高能的普朗克粒子狀態,它可比擬為宇宙的最高溫量子態吧。(2)當宇宙溫度由普朗克領域降低到宇宙輻射時代—Radiation Era結束時,即宇宙年龄Au小于385000年时,宇宙的温度已经下降到几千度,电子和质子的电磁引力达到大于热抗力而可以结合成原子。宇宙中的小物質粒子與輻射能仍然處於共存和互相轉變的時代,其中辐射成分和物资成分通过康普顿效应耦合在一起,宇宙充满电离气体,由于散射效应的作用,使得光学的可见度变得很小,因此,整个宇宙是不透明的。整个宇宙可用同一个温度来描述,即处于热动平衡的状态,这可稱之為混沌時代,在此期间,宇宙中的物质-能量的密度和温度都是很均匀相同的。(3)當輻射時代結束,就進入物質粒子與輻射能分離的時代—宇宙物质占统治地位时代。在這個時代裡,在退耦之后,辐射成分和物资成分分离了,宇宙變得透明了。物質粒子由于引力作用很快地聚集收缩成为星系恒星或者黑洞,它们都是在不可逆地将物质粒子逐漸轉變為輻射能。生命和人類只可能出現和存在於這個時代早期的極為短暫的時間裡。這就是我們現在所處的‘宇宙黑洞時代,或物質粒子愈變愈少的時代。當我們宇宙外所有的能量-物質被吞噬進我們宇宙黑洞後,宇宙就開始不停地向外發射霍金輻射,經過極其漫長的時間,直到最後所有黑洞變成為普朗克粒子而消失。(4)此後,宇宙空間於是充滿了極低溫的霍金輻射—輻射能。宇宙這種‘了無生息’的輻射能狀態或可比擬為宇宙的低溫量子態吧。它將如何演變呢?這種太太遙遠的事件又有誰能知道呢?可見,人類在宇宙時空裡,都是極其渺小短暫的和極其偶然出現的。這才是宇宙真實的真理。(待续)

 

自由谈(900)20170116学术动态70-7364北京相对论研究联谊会学术委员会美国格物杂志社张志杰纪念室主办主编吴水清

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