3大宇宙难题,已困扰科学家数百年

萌萌知识馆 2023-03-26 23:27:45

宇宙之谜是无尽的,它们无时无刻不在激发着我们人类的探索欲望,每当我们抬头仰望星空,看见如此浩大的宇宙,不禁会让我们去思考生命的意义、宇宙的意义。自从科学诞生以来,我们便不断地探索宇宙的边缘,发现了许多令人叹为观止的奇观,也发现了许多宇宙中的神奇现象。不仅仅是天文奇观,我们也曾试图用各种方式寻找外星人的踪迹,试图通过我们的方式,与外星人取得联系,但是终究是一无所获。

如果地球上的人类是宇宙中唯一的三维生物,不免令人感到宇宙之大,让我们的存在似乎只是微不足道的一粒沙子。大家好,我是萌萌知识馆,今天我们要聊的是宇宙中一些最大的未解之谜。这3个宇宙级的未解之谜,可能永远无法被我们解开,而如果在我们有生之年,能揭秘这些宇宙难题,那么我们将看到人类的文明会因为这些未解之谜的解开,而大步向前迈进。

宇宙难题一:黑洞里面有什么?

黑洞,是一种神秘的宇宙天体,是大质量恒星死亡的产物,换句话说,黑洞就是大质量恒星的“坟墓”。

黑洞是广义相对论中的天体,具有强大的引力,以至于在事件视界中的逃逸速度超过光速,导致任何光线都无法从中逃逸。而正是因为就连光都无法从黑洞中逃脱出来,就导致人类是没有办法直接观察到黑洞内部究竟是什么。

2019年4月10日,人类发现了历史上第一个被证实的黑洞,位于距离地球5500万光年的室女座巨型椭圆星系M87中心,黑洞质量约为太阳质量的65亿倍。虽然许多人认为黑洞的密度是无限大,但实际上,“无限大”只是指黑洞中心的奇点,而不是黑洞本身。从物理学角度来看,万物都是由原子构成的,原子又是由原子核(质子、中子)和电子构成的,因此,原子也是可以压缩的。

比如,太阳最终会变成白矮星,它是太阳在死亡过程中急剧向内坍缩形成的,其密度极高,甚至超出了元素周期表中的元素范围,因为此时内部的“粒子”并不是原子级别的。一般来说,质量低于三个太阳的恒星死后会变成白矮星,比如我们的太阳将在50亿年后开始演变成一颗白矮星。不相容性决定了费米子之间会存在不相容的压力差,用简单的话来说,就是白矮星内部是有压力差来支撑的,就导致白矮星是不会继续向内塌陷的。

而中子星的密度更令人难以想象,高达十亿吨每立方厘米!一颗质量为太阳质量8到30倍的恒星耗尽时,外部的辐射膨胀压力消失,物质在中心的引力作用下会急剧坍缩,而这股力量十分强大。在重压下,原子核外围的电子会被挤压到原子核内部,并与原子核中的质子结合形成中子,从而形成中子星物质,由此构成的天体就是中子星。

而中子星的密度与黑洞比起来,还是有着巨大的差距。如果把整个宇宙的所有物质聚集在一起,质量将大到超过奥本海默极限。(奥本海默极限是稳定中子星的质量上限,这一极限由1936年奥本海默等人发现:一颗热核能耗尽的恒星,如果质量大于这个临界质量,就不可能成为稳定的中子星,只能无限坍缩形成黑洞或形成中间恒星。因此,这个临界质量也被称为奥本海默极限,它能够界定介于中子星和黑洞之间的其他类型的致密星。)

一旦超过了奥本海默极限,此时中子态就会变得很难维持下去,物质就会被撕裂,分解成基本粒子形态,向中心无限坍缩,最终形成一个巨大的黑洞。不过,黑洞并不一定是由中子星产生的,如果一颗恒星质量足够大(通常超过太阳质量的8倍),它也会坍缩成黑洞。

那么黑洞的密度究竟有多大呢?这个数值是人类很难用数学表示出来的,科学家认为,黑洞的密度可以说是接近于“无限大”的。想象一下,中子星中的中子被完全压碎,被压缩成无限小的奇点,这超越了我们的想象力,而即使在数学领域,“无穷大”的概念也给人类带来了许多疑惑,在人类的历史上,无限大这个问题,甚至引发了3个数学危机,而这些危机至今尚未得到完全解决。

那么黑洞的内部究竟是什么呢?这还需要我们了解一下什么是黑洞的“事件视界”。黑洞的事件视界简单来说,则是时空的分界线,也就是说,黑洞内部绝对不再是我们所熟悉的时空,或许,那里就是传说中的“超时空”,而那里也可能藏有我们梦寐以求的终极之谜!如果有一天,人类能够破解出来黑洞内部的科学奥秘,我们就会对我们身处的宇宙有着更进一步的认识,甚至可能会从黑洞中的奥秘中明白,我们的宇宙究竟是什么。

宇宙难题二:白洞真的存在吗?

根据上文我们提到的内容,相信您一定对黑洞是如何形成的有了进一步的了解,简单来说就是,黑洞是由恒星坍缩形成的。当一颗恒星面临死亡时,它会通过超新星爆炸经历引力坍缩,最终形成黑洞。黑洞的引力非常强大,任何靠近它的物质都会被它吸走。

而相比之下,白洞则是一种理论上推测的时空区域,其特性与黑洞正好相反:光和物质无法进入白洞,但是物质和光却可以从白洞释放出来。

虽然科学家们已经证实了黑洞的存在,而近几年虽然科学家在理论上证明了白洞也许是存在的,但是科学家们仍然没有直接的证据证明白洞的存在。根据爱因斯坦的说法,白洞是一种与黑洞关系密切但截然相反的天体。白洞中心有一个质量巨大的奇点,但是它却产生了巨大的推力,任何物质都无法从外面进入中心,也就是说,白洞的许多性质是与黑洞截然相反的,黑洞在不断的“吃东西”,白洞则是在不断的“吐东西”,只不过目前人类已经拍摄到了黑洞的照片,但是仍然没有发现一丝白洞存在的证据。

经过了40年的研究,人们才开始关注白洞,并认识到它是宇宙中一个具有与黑洞完全相反特征的理论区域,就如我们上文所提到的,任何东西都无法进入或逃出它。那么此时,也许你会感到非常好奇,恒星死亡后会坍缩形成黑洞,那么白洞这个更为神秘的天体,它是如何诞生的呢?

据说,白洞实际上可能是死亡的黑洞。当黑洞死去时,它会在死亡的过程中释放出它一生中吸收的所有物质,从而形成了白洞。此外,还有一种理论认为白洞与黑洞之间存在着联系,即使它们位于不同的地点,甚至是不同的宇宙,它们之间也可能存在一条虫洞,将它们连接起来。如果这一理论属实,那么它将为白洞和平行宇宙的存在提供证据,如果有朝一日我们真的找到了白洞存在的证据,那么我们也许就离实现“时空穿梭”不远了。

宇宙难题三:暗物质真的存在吗?

如果按照万有引力定律,我们从理论上计算,会发现理论上太阳绕银河系质心的速度应该是160km/s,但实际上,太阳的速度却超过了这个理论值,达到了220km/s,这个差距可以归因于额外的引力,那么究竟是什么东西,导致了这种“额外的引力”的出现呢?

当这种现象首次被发现时,科学家们感到很困惑,因为这种现象在宇宙中,似乎是很常见的,根据天文学家的观察与计算,这种“额外引力”的现象,不仅发生在银河系,在许多星系中也有发生。因此,科学家们不得不假设存在一种提供额外引力的物质,但我们的观测手段无法观测到它的存在,这种物质被称为暗物质。而暗物质是否存在,这么多年以来,其实是始终存在争议的。

而近几年,许多寻找暗物质粒子迹象的实验,都以失败告终了,这不得不又一次让许多科学家怀疑:暗物质究竟真的存在吗?如果有朝一日科学家们推翻了“暗物质”的理论,那这是不是意味着,物理学家们有必要抛开先入为主的观念,重新审视这匹“黑马”的想法。

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