左茂雄

摘 要：本文從黑洞精細(xì)結(jié)構(gòu)著手，研究霍金輻射修正、黑洞內(nèi)核中子星結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)形成、類(lèi)星體臨界質(zhì)量、質(zhì)子湮滅彈及暗物質(zhì)等重大關(guān)聯(lián)性問(wèn)題，給出相關(guān)的理論模型。

關(guān)鍵詞：黑洞精細(xì)結(jié)構(gòu);霍金輻射;黑洞磁場(chǎng);類(lèi)星體臨界質(zhì)量;質(zhì)子湮滅彈;暗物質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：O412.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0217-02

本文從作者本人前發(fā)論文《黑洞精細(xì)結(jié)構(gòu)探究》中，繼續(xù)深入研究，提出與黑洞關(guān)聯(lián)的若干重大問(wèn)題，主要論點(diǎn)如下：

1 黑洞精細(xì)結(jié)構(gòu)

黑洞有固定的中子星內(nèi)核，半徑33.3km，動(dòng)質(zhì)量約22.55M太，自轉(zhuǎn)周期0.69ms，赤道線速度為c;外部是光障區(qū)，有以真空光速c自旋的質(zhì)子流、電子流和光子流，這里的光障區(qū)內(nèi)層基于GMm/r2=mc2/r，再外部是占史瓦西半徑一半的高真空區(qū)，這里幾乎沒(méi)有光子;再外部就是史瓦西球型的外部的吸積盤(pán)。

有三個(gè)科學(xué)數(shù)據(jù)證實(shí)了我構(gòu)建的黑洞模型是成功的。

（1）大約10年前有外國(guó)天文學(xué)家觀測(cè)到黑洞最小半徑約33.3km，其實(shí)是最小黑洞的純中子星內(nèi)核，無(wú)光障區(qū)。（2）大約在2014年科學(xué)家觀測(cè)到黑洞邊緣的自轉(zhuǎn)線速度是29.8萬(wàn)km/s。 （3）2019年7月10日左右的最新黑洞觀測(cè)數(shù)據(jù)是黑洞吸積盤(pán)內(nèi)邊緣的線速度是0.7c，我發(fā)現(xiàn)的理論推出是0.707c。再由黑洞光障區(qū)的開(kāi)放性看，黑洞精細(xì)結(jié)構(gòu)模型也根本沒(méi)有問(wèn)題，完全能夠解釋超大星系級(jí)黑洞或類(lèi)星體中心黑洞形成問(wèn)題。

2 霍金輻射

1975年33歲的英國(guó)著名物理學(xué)家霍金基本完成了黑洞霍金輻射論文，后來(lái)自己做了多次修正。霍金輻射公式T=hc3/（8πkGM），因?yàn)楹诙吹墓庹蠀^(qū)是相對(duì)穩(wěn)定的，所以光障區(qū)沒(méi)有輻射，公式中的M并非是黑洞的質(zhì)量，這個(gè)M是指它的內(nèi)核中子星的質(zhì)量。取M中=4.485×1031kg，h=6.6261×10-34Js，c=2.9979×108m/s，π=3.1416，k=1.3807×10-23J/K，G=6.6741×10-11Nm2/kg2，可以計(jì)算得出黑洞內(nèi)核中子星溫度為T(mén)=1.7189×10-8K。由維恩位移定律λmT=2898μmK，代入解得λm=168596m，νm=1778Hz。

3 黑洞內(nèi)核中子星結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)的形成

按照已有的中子星研究理論，中子星有三個(gè)分層分布：較薄的外鐵殼、由電子質(zhì)子中子組成的較厚的液體海洋圈流、由中子重子等組成的固體內(nèi)球核。中子質(zhì)子等有自旋，有磁矩，中子星高速自轉(zhuǎn)，液體海洋圈流形成更強(qiáng)的磁場(chǎng)，外鐵殼被磁化成穩(wěn)定的超強(qiáng)磁星。如果有光障區(qū)的的粒子流因?yàn)樾迸龅葘?dǎo)致其速度低于光速，就會(huì)被吸入黑洞中子星內(nèi)核中，在此過(guò)程中中子星也會(huì)通過(guò)磁場(chǎng)兩極的輻射錐向外拋灑高能的伽馬宇宙射線、高能質(zhì)子流和高能電子流。

4 類(lèi)星體臨界質(zhì)量

類(lèi)星體應(yīng)該存在一個(gè)最小臨界質(zhì)量的，只有光障區(qū)足夠的大，才可能支撐在光障區(qū)內(nèi)發(fā)生粒子碰撞后墜入中子星內(nèi)核釋放足夠的引力勢(shì)能，在此過(guò)程中可能有湮滅反應(yīng)發(fā)生，從中子星內(nèi)核輻射錐區(qū)域放出足夠強(qiáng)大的宇宙射線。

如果類(lèi)星體臨界質(zhì)量是天文學(xué)家獲取的M=108M太，M太= 1.9891×1030kg，G=6.6741×10-11Nm2/kg2，c=2.9979×108m/s，這里的質(zhì)量沒(méi)有考慮類(lèi)星體黑洞吸積盤(pán)部分，僅僅是中心超大黑洞部分，那么對(duì)應(yīng)史瓦西半徑Rs=2GM/c2= 2.9542×1011m。而黑洞光障區(qū)是分層分布的，從光障區(qū)外邊緣有粒子墜入內(nèi)核中子星上，可以用積分的辦法處理其釋放的引力勢(shì)能，確定在光障區(qū)內(nèi)正反粒子湮滅的能量域限，問(wèn)題即可解決。

我們認(rèn)為斥力為正，引力為負(fù)。我們先做模型簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為是一個(gè)速度為零的質(zhì)子簡(jiǎn)單由黑洞光障區(qū)邊緣墜入黑洞內(nèi)核中子星表面，并且把m0視為是質(zhì)子的靜質(zhì)量，這樣可以使問(wèn)題研究明顯簡(jiǎn)化，并且可以忽略湮滅后高能伽馬光子流從黑洞輻射錐逃跑過(guò)程中受到黑洞萬(wàn)有引力的約束。

E=W=∫rR（-GMm0/r2）dr=-m0∫rR（G·rc2/G·1/r2）dr= -m0c2∫rR1/r·dr=m0c2ln（r/R）

我們?nèi)=Rs/2=1.4771×1011m，R=R中=3.306×104m，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出單個(gè)質(zhì)子的湮滅臨界能量E=15.3124m0c2。我們可以進(jìn)一步借助愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論質(zhì)速公式m=m0（1-v2/c2）-0.5和質(zhì)能方程E=mc2計(jì)算得出單個(gè)質(zhì)子湮滅的臨界速度v=0.9979c。事實(shí)上在光障區(qū)邊緣的粒子的環(huán)繞速度是真空光速，我們?nèi)〉暮?jiǎn)化模型計(jì)算并且忽略伽馬光子流的輻射逃跑所受到的黑洞萬(wàn)有引力作用的方案也是可行的。

按照湮滅的方式計(jì)算，兩個(gè)正反質(zhì)子湮滅釋放一對(duì)光子出來(lái)，即2E=2mc2=2×15.3124m0c2=2hv，取質(zhì)子質(zhì)量m0=1.6726231×10-27kg，c=2.9979×108m/s，h=6.62606896×10-34Js，e=1.60217656×10-19C。即所產(chǎn)生的單個(gè)伽馬光子的頻率v=3.4739×1024Hz，其能量E=hv=2.3018×10-9J= 1.4367×1010eV。

至于能量高達(dá)1020ev的極高能宇宙射線的產(chǎn)生，確實(shí)已經(jīng)超出人類(lèi)的想象空間。目前已知能量最高的宇宙射線所擁有的能量高達(dá)3萬(wàn)億億電子伏特，它們的速度極度接近光速，達(dá)到了光速的99.99999999999999999999951%。根據(jù)分析，它們很有可能是速度極度接近光速的質(zhì)子，但它們的來(lái)源不得而知，因?yàn)檫@種超高能宇宙射線極其罕見(jiàn)。目前為止人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的最大黑洞質(zhì)量約2000億M太，是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)類(lèi)星體臨界質(zhì)量的2000倍。類(lèi)似地計(jì)算得出單個(gè)質(zhì)子的湮滅能量E=22.9133m0c2=3.4444×10-9J=2.1499×1010eV，頻率v=5.9182×1024Hz。我們可以進(jìn)一步借助愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論質(zhì)速公式m=m0（1-v2/c2）-0.5和質(zhì)能方程E=mc2計(jì)算得出單個(gè)質(zhì)子湮滅的臨界速度v=0.99905c。我們可以設(shè)想是兩個(gè)各約2.3×10-12mol的這種質(zhì)子微團(tuán)正碰湮滅成一對(duì)極高能的伽馬光子。這樣類(lèi)星體和宇宙射線問(wèn)題基本得以解決。

另外在黑洞光障區(qū)中本身有分層分布的以真空光速球?qū)ΨQ環(huán)繞運(yùn)行的質(zhì)子流，它們也相當(dāng)有可能發(fā)生正碰湮滅，放出極高能宇宙射線。

5 質(zhì)子湮滅彈

基于單個(gè)質(zhì)子的湮滅臨界能量E=15.3124m0c2和對(duì)應(yīng)的單個(gè)質(zhì)子湮滅的臨界速度v=0.9979c。歐洲核子中心的質(zhì)子加速器已經(jīng)具備這個(gè)加速能力，不過(guò)讓質(zhì)子在強(qiáng)磁場(chǎng)中回旋恰好能正碰并發(fā)生湮滅難度太大。事實(shí)上就要求建造兩個(gè)相同規(guī)格的質(zhì)子加速器才能進(jìn)行類(lèi)似的湮滅實(shí)驗(yàn)。

湮滅彈本來(lái)核能幾乎完全釋放，但是為滿足反應(yīng)發(fā)生的能量域限條件，必須投入大量能量給質(zhì)子加速，實(shí)際在反應(yīng)中增加釋放的那個(gè)能量是原來(lái)質(zhì)子的靜能部分E=m0c2，相當(dāng)于投入14.31產(chǎn)出15.31。不過(guò)這個(gè)技術(shù)在工業(yè)革命和軍工技術(shù)變革方面的影響是深遠(yuǎn)的，會(huì)明顯提速人類(lèi)的文明進(jìn)程?？梢赃M(jìn)一步衍生解決人類(lèi)能源危機(jī)問(wèn)題，使得人類(lèi)文明很快步入最高等級(jí)的文明階段。當(dāng)然必須要提前做好工程技術(shù)鋪墊以及工作人員所受到的宇宙射線輻射的防護(hù)等安全問(wèn)題。

6 暗物質(zhì)

6.1 黑洞結(jié)構(gòu)

我們已經(jīng)確定黑洞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是存在內(nèi)核中子星、光障區(qū)、高真空區(qū)，外部是吸積盤(pán)。內(nèi)部的光障區(qū)的粒子環(huán)流是真空光速繞行，基于很多科學(xué)家研究星系運(yùn)動(dòng)外部旋轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)的恒星幾乎以恒定速率環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)事實(shí)，我們可以大膽做出以下假設(shè)：

（1）黑洞外部的吸積盤(pán)區(qū)域存在次光障區(qū)，所有粒子流均以0.707c分層環(huán)繞運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)的部分是吸積盤(pán)，不可見(jiàn)的部分是重子，這些粒子流是以球?qū)ΨQ的方式環(huán)繞分布的，這個(gè)區(qū)域也是開(kāi)放的。（2）黑洞內(nèi)部光障區(qū)和外部吸積盤(pán)次光障區(qū)的粒子流（主要是質(zhì)子、氦核、電子、中微子、光子和重子等）以及星系間廣泛存在的彌漫的氫氣絲狀物共同組成了我們宇宙中占據(jù)絕大部分的暗物質(zhì)和對(duì)應(yīng)的暗能量。

6.2 黑洞次光障區(qū)

我們?cè)O(shè)定黑洞質(zhì)量為M，因?yàn)楹诙锤哒婵諈^(qū)沒(méi)有物質(zhì)，所以M也是黑洞光障區(qū)及內(nèi)核中子星的總質(zhì)量。進(jìn)一步設(shè)R中和M中為黑洞內(nèi)核中子星的半徑和質(zhì)量，Rs是黑洞史瓦西半徑，r是軌道半徑。在黑洞光障區(qū)的的粒子均有GMm/r2=mc2/r。而黑洞史瓦西半徑Rs=2GM/c2，可以解出黑洞光障區(qū)外邊緣半徑r=Rs/2。而對(duì)于黑洞史瓦西半徑外側(cè)的粒子（即黑洞吸積盤(pán)內(nèi)邊緣的粒子），我們基于GMm/r2=mv2/r，解出其對(duì)應(yīng)環(huán)繞速度v=√2/2c=0.707c。

基于前面文中提出的假設(shè)，我們確定黑洞吸積盤(pán)對(duì)應(yīng)的球殼區(qū)域都存在次光障區(qū)，且所有粒子均以v=√2/2c=0.707c的環(huán)繞速度運(yùn)行，幾乎球?qū)ΨQ分布，而吸積盤(pán)的物質(zhì)以穩(wěn)定盤(pán)狀做圓周運(yùn)動(dòng)，那些不可見(jiàn)的粒子是重子。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的研究，我們把這個(gè)次光障區(qū)認(rèn)為是球?qū)ΨQ環(huán)繞分布，盡管黑洞吸積盤(pán)是受到黑洞磁場(chǎng)約束相對(duì)穩(wěn)定的。對(duì)于這個(gè)區(qū)域的環(huán)繞粒子，有GMm/r2=mv2/r，解出粒子軌道半徑r內(nèi)球型區(qū)域的物質(zhì)動(dòng)質(zhì)量M=rv2/G=rc2/（2G），r-（r+dr）球殼區(qū)域的密度為ρ=dM/dV=d（rc2/2G）/d（4πr3/3）=（c2dr/2G）/（4πr2dr）=c2/（8πGr2），半徑r處內(nèi)部球體包括黑洞部分的平均密度ρ內(nèi)=M/（4πr3/3）=3c2/（8πGr2）。如果我們?nèi)『诙次e盤(pán)外邊緣半徑為r=5Rs，黑洞質(zhì)量為M黑，M黑=Rsc2/（2G）;而設(shè)黑洞吸積盤(pán)質(zhì)量為M吸，則有M黑+ M吸=rv2/G=rc2/（2G）=5Rsc2/（2G）=5·2GM黑/c2·c2/（2G）=5M黑，得出M吸=4M黑。這樣如果把我們宇宙簡(jiǎn)單看成一個(gè)特大黑洞模型，那么就會(huì)出現(xiàn)黑洞部分占20%的暗能量和暗物質(zhì)，吸積盤(pán)部分的球殼區(qū)域占據(jù)80%的能量和物質(zhì)，這里的暗能量約占宇宙質(zhì)量的50%，暗物質(zhì)約占宇宙質(zhì)量的20%大致剩下約5%的明物質(zhì)就是我們可以看見(jiàn)的那個(gè)吸積盤(pán)。另外在不同星系間還存在不可見(jiàn)的絲狀物氫粒子流。

至此宇宙模型已經(jīng)構(gòu)建，暗物質(zhì)暗能量等問(wèn)題基本解決。宇宙應(yīng)該是有無(wú)限多個(gè)，我們的宇宙的觀測(cè)半徑約465億光年，事實(shí)上我們的宇宙的光障區(qū)半徑為100億光年，100億光年-200億光年的那個(gè)球殼區(qū)域是高真空區(qū)，沒(méi)有任何物質(zhì)，我們的宇宙的半徑為1000億光年，在高真空區(qū)只有極少的光子，其外部是吸積盤(pán)和對(duì)應(yīng)的次光障區(qū)。每個(gè)宇宙相對(duì)獨(dú)立。

7 宇宙精細(xì)結(jié)構(gòu)模型

7.1 兩個(gè)科學(xué)假設(shè)

基于前文分析，我們進(jìn)行宇宙精細(xì)結(jié)構(gòu)模型的推廣，就是認(rèn)為宇宙模型簡(jiǎn)化滿足以下兩個(gè)假設(shè)：

（1）把宇宙模型簡(jiǎn)化為一個(gè)由普通星系構(gòu)建的接近為無(wú)窮大的球狀天體，其內(nèi)部光障區(qū)所含質(zhì)量為星系明物質(zhì)質(zhì)量，我們約定為該質(zhì)量為M=2000-2500億M太，M太=1.9891× 1030kg，沒(méi)有包括次光障區(qū)里那部分4M的暗物質(zhì)的質(zhì)量，黑洞史瓦西半徑Rs=2GM/c2。

（2）宇宙分布具有量子化條件，即內(nèi)核為高速自轉(zhuǎn)的中子星、外側(cè)是光障區(qū)v1=c，r1=Rs/2，接著是高真空區(qū)（虛空區(qū)）;然后是次光障區(qū)，v2=√2/2·c=0.707c，r2=5Rs，接著又是高真空區(qū);…;vn=2-（n-1）/2c，rn=10（n-1）Rs/2。即是說(shuō)在第一級(jí)次光障區(qū)內(nèi)這部分為我們看到的那個(gè)星系的明物質(zhì)暗物質(zhì)和暗能量，以外的區(qū)域是從星系內(nèi)部觀察到的具有相對(duì)論效應(yīng)的廣袤宇宙。

7.2 宇宙平均密度

對(duì)于第n層，我們?nèi)∑浯喂庹蠀^(qū)半徑rn=10（n-1）Rs/2及次光障區(qū)里的粒子線速度，vn=2-（n-1）/2c，由牛頓定律有GMnm/rn2=mvn2/rn，Rs=2GM/c2，代入解得Mn=5（n-1）M，這里的Mn是第n層次光藏區(qū)半徑rn內(nèi)部的所有物質(zhì)的動(dòng)質(zhì)量。而對(duì)應(yīng)的平均密度ρ=Mn/（4πrn3/3）=3c6/〔4πG3M22（n-1）102（n-1）〕。

7.3 對(duì)兩個(gè)假設(shè)的驗(yàn)證

對(duì)于假設(shè)（1），結(jié)合我前面的相關(guān)文章及其推導(dǎo)以及2019年4月10日發(fā)布的全球首張黑洞圖片，可以確定是完全正確的。

對(duì)于假設(shè)（2），借助2019年7月10日科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)黑洞吸積盤(pán)內(nèi)邊緣粒子環(huán)繞線速度v=0.7c以及數(shù)學(xué)驗(yàn)算也是成立的。比如我們?nèi)『诙吹诙?jí)次光障區(qū)內(nèi)邊緣質(zhì)點(diǎn)n=2，r= 2r2=10Rs=20GM/c2;而n=3，v=c/2。由牛頓定律有GM2m/r2 =mv2/r，代入得GM2=rv2=20GM/c2·（c/2）2=5GM，有M2=5M。這與對(duì)第一級(jí)次光障區(qū)外邊緣質(zhì)點(diǎn)n=2，r=r2=5Rs，v2=√2/2·c=0.707c，GM2m/r2=mv12/r，得GM2=5Rsv12= 5·2GM/c2·c2/2=5GM，有M2=5M完全吻合。

7.4 穩(wěn)定宇宙的主要參數(shù)

7.4.1 穩(wěn)定宇宙的層級(jí)數(shù)n

我們?nèi)∮钪媾R界密度ρ0=5×10（-27）kg/m3=ρ=3c6/〔4πG3M22（n-1）102（n-1）〕，取M=2000-2500億M太，M太=1.9891×1030kg，c=2.9979×108m/s，π=3.1416，G=6.6741×10-11 Nm2/kg2，整理方程后兩邊取自然對(duì)數(shù)解得n=11.3724～11.2882。取n=12層。實(shí)際第12層不完整，每層有一個(gè)光障區(qū)和虛空區(qū)。

7.4.2 穩(wěn)定宇宙的半徑R

基于假設(shè)rn=10（n-1）Rs/2，n=11.3724～11.2882，Rs= 2GM/c2，M=2000-2500億M太，M太=1.9891×1030kg，c= 2.9979×108m/s，G=6.6741×10-11Nm2/kg2，我們代入數(shù)據(jù)計(jì)算出R=6.96～7.17×1024m=7.36～7.58×108光年=7.36 ～7.58億光年。這明顯小于我們觀察到的宇宙半徑465億光年，這充分說(shuō)明我們觀察到的宇宙系統(tǒng)中有很多獨(dú)立的小宇宙。

8 結(jié)語(yǔ)

按照上述理論以及相繼產(chǎn)生的一系列重要物理理論將會(huì)極大地促進(jìn)我們?nèi)祟?lèi)文明的飛速發(fā)展與進(jìn)步。宇宙級(jí)問(wèn)題基本終結(jié)！