黑洞的空间效应与暗物质暗能量

黄大漠  黄泽予  

台州市路桥区安监局 浙江 台州 318050  台州市启超中学 浙江 台州 318050  

摘要：星系的平直型旋转曲线以及引力透镜效应观测结果都明确表明有巨大的未知引力源存在，人们把它形象的称为暗物质，但迄今还不知道暗物质是什么。1998年对1a型超新星的观测结果表明宇宙正处于加速膨胀之中，但原因不明，人们把使宇宙加速膨胀的不明动力源形象的称为暗能量。该文提出了黑洞的空间效应机制，通过现有观测研究数据，论证暗物质暗能量均是黑洞空间效应的反映，是一个问题的两面，并通过它们内在的数理逻辑关系，从而推导出物质与空间的转换关系，揭示出宇宙守恒定律，从根本上解开暗物质暗能量之谜。关键词：暗物质，暗能量，黑洞的空间效应，质空转换，宇宙守恒

一、引言

20世纪的几个重大发现彻底改变了人们对宇宙的认识。早在20世纪20年代，年轻的哈勃通过对星系红移的研究，发现宇宙不是静态的，而是在不断膨胀，这一发现开启了现代宇宙学研究。1998年对1a型超新星的观测结果表明宇宙正处于加速膨胀之中。而早在30年代Zwicky通过对双星系团中星系的速度弥散度的研究，推断出宇宙中存在大量未知引力源。
    目前的天文观测表明，宇宙中可见的重子物质仅占宇宙总质能的4.9%，看不见的暗物质占26.8%，而暗能量占比高达68.3%。暗物质是什么？暗能量的本质是什么？这些是当前宇宙学家和理论物理学家们面临的重大问题，被喻为21世纪科学界头顶的两朵乌云。

科学家们为此抓狂！各国也投入巨资研究！因为人们已经意识到走到了科学发展的第三道大门前，而且已经摸到了两扇大门，一扇门叫“暗物质”，一扇门叫“暗能量”，但是费尽周折试了成千上万把，就是找不到开门的钥匙。这与前两次的情况完全不同，第一次一个叫牛顿的小伙在英国乡下躲瘟疫，不经意的捡到一把叫“万有引力”的钥匙，轻易的就打开了以经典力学为标志的科学发展的第一道大门；第二次一个叫爱因斯坦的年轻人在瑞士专利局办公室里静坐冥想光是怎样运动的，冥想出一把叫“相对论”的钥匙，想不到一下子就打开了以相对论和量子论为标志的科学发展的第二道大门。进第二道门后天地一片广阔，人们撒开腿飞奔，想不到很快就被挡在了第三道门前，人们明明早就摸到了两扇大门，而且知道门的那一边是更加广阔精彩的天地，似乎从门缝间就能隐约看见，谁先找到钥匙谁就站在了下一波科技浪潮的致高点，但就是找不到开门的钥匙，能不急吗？

 二、暗物质困惑

    1933年，天体物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）研究了“后发座星系团”中8个星系的质量。他估计星系团的质量采用了两种不同的方法：第一种方法是对大量星系的运动速度进行分析，因为速度与引力有关，所以可以间接估计出星系团的质量，得到的质量称为“力学质量”[1]。另一种方法是通过星系团内星系的亮度来估计质量，因为恒星质量越大就越亮，这样得到的质量称为“光度质量”。在估计了行星等一些看不见的质量之后，假如遥远星空的质量大致是“所见即所得”，那这两个质量应该差不多。然而，计算出来的结果是力学质量比光度质量高了400倍左右。换言之，力学质量里的绝大部分是我们看不到（不发光）的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。
    1936年，天文学家辛克莱尔·史密斯（Sinclair Smith）讨论了他在“处女座星系团”中注意到的相同情形，提出存在“星系团内部大质量的星云间物质”。而且，即使把气体、尘埃、等离子体、类恒星天体和行星计算进来，也只增加了15%的质量，远远不够填补“空缺”。相比用光度推测的质量计算的结果，“后发座星系团”中星系跑得太快了。
    20世纪60-70年代，女天文学家薇拉•鲁宾（Vera Rubin）对“仙女座大星系（M31）”的星系旋转曲线进行了测量，简单来说就是测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度，发现观测出来的旋转曲线：离星系中心不同距离处的气体，围绕中心旋转的速度都差不多，星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多。她又观测了其他星系，1978年的论文中他们观测的其他8个星系的旋转曲线全部都是平直的。而随后其他射电天文学家们对25个其他星系的观测中，有22个星系的旋转曲线都是平直的。科学家们有理由认为，宇宙中存在着我们看不到的物质，为弥散于星系各处的气体提供着引力。
    同样在20世纪60年代，普林斯顿的物理学家Jim Peebles和Jeremiah Ostriker对银河系建模，计算发现旋转的银河系很不稳定，很快就会分裂或者变成块状。只有看不到的质量和可见的质量大体相当时，银河系才能保持稳定。1973年他们发表了一篇文章，称银河系以及其他旋涡星系的星系晕质量可能极其巨大。他们推测普通星系的质量甚至可能一直被低估了10个数量级以上。
    在这之后，科学家们在多个方面发现越来越多的证据，证明有大量的“观测之外”的物质质量，甚至比我们“看得到”的还要大得多。
    20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称，来形象的指代那些“观测之外”的物质。
    之后我们探测暗物质，越来越多的是透过所谓“引力透镜” [2]，也即是因为有巨大质量物质的存在，使得光线发生弯曲（广义相对论），那么通过研究我们看到的被引力透镜弯曲了的背景星系，就可以判定造成光线弯曲的前景星系的质量分布。经过计算，前景星系的质量远大于用光度推算的质量。这种方式也证实了暗物质之间的相互作用比正常物质要弱的多。
    星系的平直型旋转曲线以及引力透镜效应观测结果都明确表明有巨大的未知引力源存在，人们把它形象的称为暗物质。其实“暗物质”这个称谓容易误导人，也并不准确，甚至有些科普读物这样定义暗物质[3]：“暗物质(Dark Matter)是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分，密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中26%的物质含量。”暗物质是什么我们都还不知道，怎么能这样来定义呢？这不严谨和科学。就目前来说，暗物质的准确含义就是指未知引力源，完全可以用“未知引力源”代替“暗物质”概念，当然这样就显得不直观形象和文艺了，不利于大众传播。

    尽管研究了几十年，而到目前为止，人们也只观测到星系中普遍存在来历不明的巨大引力，而观测不到除引力之外的其它作用，按常规习惯思维，能产生引力的引力源就是物质，我们又看不到它，所以干脆把它称为“暗物质”。普通物质由重子粒子组成，与之对应，看不见的物质（暗物质）自然假设为非重子粒子组成。下面的论述中，物质及普通物质都指重子物质，暗物质都指非重子物质。

    现在观测到的暗物质存在的证据还包括：1、宇宙大尺度结构形成理论和观测表明，仅靠重子物质远远不足以使宇宙形成现在的结构，如果没有暗物质存在提供的巨大的引力，星系就会散架。2、观测表明，星系群和星系团都存在温度高达上亿度的高温热气体，若无暗物质引力场束缚，这些高温气体早已经逃逸到宇宙空间。
    研究暗物质的实质就是探寻未知引力源，而且这种引力源不是可见重子物质产生的。为了解释未知引力的来源，不外乎有以下三个思路：1、修改星系重子物质质量分布，以适应观测到的引力场分布； 2、修改引力理论，以解释观测到的异常引力分布；3、搜寻非重子粒子，用“暗物质”来解释观测到的引力场分布。几十年来，研究暗物质的论文上万篇，都可以归结为上述三个思路。随着研究的深入，前1、2项思路展开的研究难以得到实验观测的支持，研究的人相对较少，而第3项非重子粒子方向似乎最有希望，成为当前研究的重点和热点，各科技强国投入巨大的人力物力，开展了几十个大型实验，但都没有取得实质性进展[4]。

    依据星系旋转曲线的观测数据，根据万有引力定律，通过数值拟合的方法[5]，可以得到星系暗物质分布图。
    暗物质不发出任何辐射，不能被直接观测到，但它具有巨大的质量，而且是星系质量的主体，能产生明显的引力透镜效应。通过引力透镜效应就能分析出前景星系的暗物质空间分布[6]。2017年8月16日和8月27日，“哈勃”和“钱德拉”望远镜分别公布了两张根据引力透镜效应通过模拟和逆解题技术分析出的星系暗物质分布照片：猎户座Abell 520 星系团，距离24亿光年；鲸鱼座MACSJ0025-1222星系团，距离59亿光年。照片中蓝色区域属于星系中的暗物质，红色区域属于普通物质。星系旋转曲线拟合出的暗物质分布图与引力透镜测绘出来的暗物质分布图符合得很好，这两张照片使科学家们确信这是暗物质存在的直接证据。

  图1   猎户座Abell 520 星系团                       鲸鱼座MACSJ0025-1222星系团
    不过，我们高兴得可能太早了，这些证据有两个致命的不足：
    其一，上述“星系旋转曲线数值拟合”和“引力透镜测绘”两种方法，根据其原理，解析拟合出来的并不是“暗物质”本身，而是星系引力场分布，即使我们观测的数据是准确的，数值分析也是正确的，它也只反映了星系引力场分布状况，怎么能把星系引力场分布等同于暗物质呢？只能说星系引力场分布与星系暗物质可能密切相关。

其二，更大的问题还在于，星系旋转曲线拟合出的暗物质分布图与引力透镜测绘出来的暗物质分布图，都显示暗物质分布在星系外围，基本上不与普通物质重合，而是呈分离状态。我们知道，暗物质的质量是普通物质的好几倍，且暗物质与普通物质均遵循引力定律。根据引力定律，星系旋转的质心自然就该由质量更大的暗物质主导，星系旋转的质心就应该是暗物质的质量中心[7]，如果我们现在根据引力透镜测绘出来的暗物质存在的“直接证据”正确无误，星系的旋转质心就不应是现在观测到的星系中心。星系的质心变了，就更无法解释我们现在观测到的星系及宇宙的模样。

之所以出现上述两个问题，“星系旋转曲线数值拟合”和“引力透镜测绘”两种方法，都是以“星系异常引力”均是由“暗物质”产生的为假设前提的，在这个假设前提下应用引力定律论证，其内在逻辑其实是循环论证[8]，“星系引力异常”与“暗物质”在相互印证，而且还排除了其它可能，如果这个前提假设不成立，其结论自然是错误的，就一定会与观测事实有冲突。反过来，如果其结论与观测事实符合得很好，说明这个假设正确的概率就很大。现在其结论与观测事实有冲突，说明我们假设的前提可能就错了。

总结起来就一句话：我们解决问题的思路可能有问题。这种思路不但没有解决星系旋转曲线和引力透镜观测显示的异常引力问题，而且还引出了星系旋转的质心问题。
    普遍意识到可能解决问题的思路有问题的是物理学家。物理学家根据未经证实的理论推测出假想中的暗物质粒子（非重子粒子），这些理论和假设不下十几种，物理学家们心里清楚，这些理论和假设既使有可能正确，最多也只有一两种正确，就是说这些理论和假设注定绝大多数甚至全部都是错误的。各国集中巨大的物力人力，开展了几十个大型实验，坚持不懈了几十年，仍一无所获。我们对暗物质的属性揣摩了几十年仍然显得无尚迷茫，很多参与实验的物理学家纷纷反思，可能是我们的基本思路出了问题，就象以太一样，我们煞费苦心寻找的可能是一种并不存在的东西。这是暗物质粒子探寻必须面对的现实。
    综上所述，我们对暗物质的研究，尽管做出了巨大努力，在异常引力源探索和非重子粒子探索两个方向上，均未取得实质性突破，暗物质是什么？仍不清楚。

三、暗能量困惑

关于暗能量概念的起源，还得追溯到科学巨匠爱因斯坦。1917年，由他在两年前提出的广义相对论导出的一组引力方程式，方程式的结果都预示着宇宙是在做永恒的运动，这个结果与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背，为了使这个结果能预示宇宙是呈静止状态，爱因斯坦又给方程式引入了一个项，这个项称之为“宇宙常数”。1927年，美国天文学家哈勃观测到：“所有星云都在彼此互相远离，而且离得越远，离去的速度越快”。根据这样一个天文观测结果，哈勃得出结论认为：整个宇宙在不断膨胀，星系彼此之间的分离运动也是膨胀的一部份。1998年，物理学家索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特与亚当·里斯两个独立的小组“透过观测遥远la型超新星分别发现了宇宙在加速膨胀”，随后的究竟证实，宇宙约70亿年前开始加速膨胀。
     宇宙中星系都有质量，根据万有引力定律，因为引力的存在，宇宙应该塌缩才对，而现在观测到的事实是宇宙在加速膨胀，必然有一种作用施加在加速远离的宇宙星系间，是什么东西使宇宙加速膨胀的呢？人们一无所知，于是在20世纪90年代，把它命名为暗能量。暗能量就是使宇宙加速膨胀的能量，具体是什么？不知道。
    暗能量面对的困难比暗物质还大。暗物质毕竟还有引力和粒子两个着手方向。而暗能量在宇宙空间无处不在，各向同性，它就是一种难以找到参照和比较的存在，想研究它都无处下手。
    暗能量是一种使宇宙膨胀的斥力效应，而且占宇宙总质能的68.3%，可以说是宇宙的主宰，是宇宙的第一存在。人们为了解释这种存在，也从三个方面进行思考：1、修改广义相对论引力理论；2、宇宙的非均匀性；3、直接引入斥力“暗能量”。前两个方向的研究得不到天文观测的支持，似乎简单粗暴的“暗能量”概念更能解决问题。暗能量仅在宇宙大尺度才能显现，与暗物质粒子的寻找不同，天文观测是目前测定暗能量性质的唯一手段。宇宙大尺度结构、微波背景辐射、星系团的特质、微引力透镜效应等，都被认为对确定和鉴别暗能量的状态方程、时间演化和区分不同暗能量模型有积极的帮助。然而，尽管诸多天文大设备为探测暗能量争相上马，这些巨大的努力到目前为止，并没有实质性突破，自然会使一些科学家怀疑暗能量也许根本就不存在。
    人们实在想不出“暗能量”的来源，于是在引力方程中无来由的加一个斥力项“宇宙常数”，使方程的解与实际情形相符。在理论上，把它解释为真空能[9]，一种无中生有的能量，由真空凭空生发出来，而且随着空间的膨胀越生越多，这种无中生有的理论难以让人信服，就象是说我知道了“暗能量”的来源，它的来源是没有来源，是凭空生发出来的。表面上似乎解决了问题，实际上使问题变得更复杂了。

四、黑洞的空间效应

到目前为止，暗物质暗能量都还只是观察到的一种引力和斥力效应，还没有一种科学理论能够进行解释。根据《规律场论》[10]的推理，暗物质暗能量可以用黑洞的空间效应来说明。
4.1、黑洞的空间效应
    根据爱因斯坦的质能方程，我们知道物质和能量是可以转换的，从而可以把物质和能量统一起来。根据《规律场论》，空间、能量、物质是有统摄结构的，空间统摄能量，能量统摄物质，空间、能量、物质之间也是可以相互转换的，因上述统摄关系的存在，物质转变成空间比物质转变成能量要高一层级，转换环境和条件更加苛刻。质能转换只能在核反应和正反物质湮灭的条件下进行，质空转换要更高一能级，也是一种终极转换，只有在存在“奇点” 的环境中才能完成，目前知道在宇宙大爆炸之初和黑洞内部才存在“奇点”，在这些地方才是质空转换的特殊环境。

物质转变成空间的理论，或者说物质粒子都是由空间卷曲形成的，也被超玄理论所预言[11]。

黑洞的空间效应，就是黑洞把吸入它的物质转变成空间的一种效应。
4.2、物质转变成空间，那么我们能观测到吗？

当然观测得到，而且是早就观测到了，那就是暗物质暗能量，只是我们不自知而已。
     物质被吸入黑洞视界以后，在黑洞的极端环境下，全部变成了基本粒子态，光子是基本粒子的最基本态，也可以说物质此时有相当部分变成了光子态，在黑洞超强引力的吸引下，光子突破光速c加速落向奇点，光子一旦突破光速c，光子的平衡态被打破，光子相变为空子和能量，实现物质向空间的转换。空子没有动质量和静质量，是构成空间的微观粒子，不受引力影响，它一产生就嵌入已有的空间之中，呈一种“斥力”效应，使空间膨胀。这种效应有点象吹气球，当吹气时，首先是气球各向同性的整体膨胀，其次是吹气口气流引起的局部震动。根据现在的观测，从宇宙大尺度上看，星系几乎是均匀分布在宇宙之中的[12]，星系中心都有黑洞存在，也可以近似认为黑洞几乎是均匀分布于大尺度宇宙之中的，黑洞的空间效应，是现在宇宙加速膨胀的主要动力。宇宙膨胀表现为两种形式，一是整体的各向同性的膨胀，二是黑洞周围空间的局部震荡。

五、黑洞的空间效应对暗物质的解释

暗物质存在的观测证据主要包括星系旋转速度、引力透镜效应、宇宙大尺度结构、星系高温热气体4个方面，这4个方面都能运用黑洞的空间效应来解释。
5.1、怎样确定星系中心黑洞的质量
    在我们银河系，天文学家通过红外波段对中心附近恒星轨迹的追踪观测，推测存在着一个大约为430万太阳质量的黑洞。对于临近的星系，不是通过看恒星，而是通过看气体团块的运动，来判断中心黑洞的质量。这种方法，虽然简单直观，但不准确。因为星系中恒星和气体团块的运动受到“暗物质”的影响，并且正是因为恒星和气体团块的运动状态的特征，才引入了“暗物质”概念。单纯从恒星和气体团块的运动来确定星系中心黑洞的质量，是以恒星和气体团块的运动只受中心黑洞引力影响这个假设前提之下的，因“暗物质”的存在，这个假设显然不成立，所以根据这个假设计算出来的黑洞的质量并不准确。
    那么怎样确定星系中心黑洞的质量更合理呢？因为黑洞是看不见的，星系总质量减去星系可见物质质量不就是黑洞的质量吗？一道简单的算数题就可以办到：

黑洞质量=星系总质量－星系可见物质质量

我们知道，暗物质的计算公式是：

暗物质=星系总质量－星系可见物质质量

从上面两个公式可以看出，星系中心黑洞质量就是暗物质的质量。用观测计算暗物质质量的方法，就可以求出星系中心黑洞质量，具体方法这里就不赘述。
    当初发现“暗物质”时，人们首先想到的它可能就是星系中心的黑洞，但黑洞存在于星系中心，观测显示，星系内侧物质绕转速度较慢，星系外围物质的绕转速度明显比万有引力计算得到的要快很多，而且不同距离的物质绕转速度基本相同，如果星系质量集中于中心，就无法解释星系物质旋转速度的这些特征，这是违背万有引力规律的，所以这一方案很快就被否决了。
    之所以否决黑洞就是暗物质的方案，是没有认识到黑洞空间效应的影响，星系物质运动是受到黑洞引力和空间效应双重影响的，对星系旋转曲线内慢外快平直型的特征，只从引力单方面考虑当然无法得到合理解释。
    人们为了解释观测到的星系引力的不均匀变化，也想到了可能是“引力理论”不完备造成的。现象就在那里？理论解释不了现象，人们当然就会想到是不是理论有问题。于是人们着手修改现有的引力理论[13]，但修改后的理论能解释这方面的问题就解释不了那方面的问题，并与现有的引力理论难以协调，反而使问题变得更复杂，还不如假设一个“暗物质”，简单明了的就解决了问题。现在多数科学家都认为，假设中的“暗物质”是真实存在的，无奈费了九牛二虎之力，就是找不到。

5.2、黑洞的空间效应对星系旋转曲线的影响
      20世纪60-70年代，女天文学家薇拉•鲁宾（Vera Rubin）对“仙女座大星系（M31）”的星系旋转曲线进行了测量，简单来说就是测量距离星系中心不同半径处物质的旋转速度，得到如下的图。图中横坐标是距离星系中心的距离，纵坐标为旋转速度，红色是理论计算的曲线，白色是实际观测的曲线。

图2：星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多

先说理论计算。假设星系中心的巨大质量的物质都像太阳一样发光（像地球之类的反射光的行星质量相对小很多，但也可以进行估计），通过测量光的分布，猜测一些星系的年龄和恒星形成率，可以推算出来光度-质量比，也就是根据光度推测大概的质量分布。按照万有引力定律，理论上物质离中心越远转的越慢，根据光度推算的质量分布来计算，物质的旋转速度随距离的变化应该是那条红色曲线。
    然而，实际观测出来的是图中的白色曲线：离星系中心不同距离处的气体，围绕中心旋转的速度都差不多，星系外围的绕转速度明显比计算得到的要快很多。她又观测了其他星系，1978年的论文中他们观测的其他8个星系的旋转曲线全部都是平直的。而随后其他射电天文学家们对25个其他星系的观测中，有22个星系的旋转曲线都是平直的。科学家们有理由认为，宇宙中存在着我们看不到的物质，为弥散于星系各处的气体提供着引力。
    之所以星系内侧的物质旋转相对较慢，而外侧的旋转相对较快，正是黑洞空间效应作用的结果。
5.2.1、星系绝大多数的质量（相当于暗物质质量），都集中在星系中心看不见的黑洞之中，为星系旋转提供引力，成为星系的主宰。
5.2.2、黑洞的空间效应分整体效应和局部效应。整体效应是使宇宙空间整体膨胀，就象吹气球，会影响空间每个点的膨胀。每个黑洞，就象宇宙空间的吹气口，在使宇宙整体膨胀的同时，也会引起黑洞周围空间的局部震荡，这种作用就是黑洞的空间效应的局部效应，这种效应与黑洞的质量成正比，与距离成反比，距离越近影响越大，距离越远影响越小。黑洞的局部震荡效应有点像刹车，对星系越内侧物质刹车作用越强，越外侧越弱。星系旋转曲线正是黑洞引力和空间局部震荡“斥力”共同作用的结果。
5.2.3、黑洞的空间效应与星系的质量分布（星系形态）有关，也与掉入黑洞物质的数量和速度有关。星系的质量分布、掉入黑洞物质的数量和速度这三者的关系，决定了黑洞的空间效应之局部效应的起伏震荡形态。
5.2.4、黑洞的空间效应决定了星系旋转曲线的特征。特别是局部震荡效应，它使靠近黑洞的物体旋转变慢，并有震荡起伏，这种效应与黑洞的距离成反比，对星系越内侧的物体影响越大，越外围影响越小，它使星系的整体转动特征就象我们观测到的那样，内侧的相对变慢并有起伏，外围的影响变小并变得平滑。
5.2.5、从黑洞空间效应的角度，才能完美的解释星系质心与“引力变化”的关系，否则就无法解释“暗物质”分布在星系外围对星系质心的影响。星系的“引力变化”不是“暗物质”引起的，而是黑洞的空间效应之局部震荡效应引起的。

5.3、黑洞的空间效应对星系引力透镜的解释

5.3.1、黑洞的巨大质量完全可以对星光的偏折提供引力，并且只有这样才能有稳定的引力质心，“暗物质”的假设难以提供有焦点的引力质心，否则引力透镜就没有稳定的焦点，“暗物质”的假设难以解释引力透镜的焦点问题。

5.3.2、黑洞的空间效应之局部震荡效应也会使引力透镜微微震荡，星系引力透镜是个微微震荡的动态的透镜，偏折的星光也有微微震荡的效果。这一点得到了观测事实的印证。

5.3.3、星系引力透镜作用还与星系透光物质分布有关，比如星系外围高温热气体的分布情况就对引力透镜的成像效果有影响。
5.3.4、星系引力透镜作用还与前景星系与背景星系和观察者的位置与距离有关。
    我们观测到的星系引力透镜作用，受到上述多方面因素的影响，完全不必引入“暗物质”的假设。
5. 4、黑洞的空间效应对宇宙大尺度结构的影响
    黑洞的空间效应对宇宙大尺度结构有决定性作用。
5.4.1、现在观测表明，“暗物质”占宇宙总质能的26.8%，如果“暗物质”大致就是黑洞的质量，那么宇宙中黑洞的总质量也就约占宇宙总质能的26.8%，成为宇宙大尺度结构的粘合剂。标准宇宙模型中宇宙早期的物质分布是比较均匀的，物质粒子在耗散其内能收缩为星系的过程中，必然产生黑洞，形成巨大的引力，帮助物质粒子紧密“团结”在一起，组成了宇宙中众多庞大的星系，形成了宇宙大尺度结构，也使得宏观宇宙相对均匀、各向同性，使得宇宙学原理成立[14]。  

5.4.2、也只有“暗物质”的质量都集中在星系中心的黑洞之中，以此为结点，形成引力质心，才可能形成宇宙大尺度的点网状结构，如果“暗物质”真是弥漫在宇宙空间，弥散的引力，就更无法解释宇宙大尺度的点网状结构。
5.5、黑洞的空间效应对星系团高温热气体的影响
    黑洞的巨大引力，维系住了星系外围高温热气体，使它们无法弥散外溢。黑洞的空间效应之局部震荡与距离成反比，黑洞的空间效应对星系外围高温热气体减速作用渐弱，高温热气体旋转得相对很快，这就是星系外侧旋转曲线变平缓的原因。同时，气体的高速旋转，也是使气体变热的原因之一。
    星系的形成过程中，星系中心黑洞也有一个形成增长过程，黑洞的引力和空间效应同样也有一个形成增长过程，这种星系形成机制，就会普遍在星系外围形成高速旋转的高温热气体晕。星系团间的高温热气体，正是各星系引力平衡的结果，宇宙大尺度的点网状结构，就是以星系中心黑洞这个“点”提供的巨大引力为结点，各星系及星系团因引力平衡结成了网，沿网分布着高温热气体，才使我们看到了宇宙大尺度的点网状结构。

六、黑洞的空间效应对暗能量的解释

暗能量是使宇宙加速膨胀的力量，呈斥力效应，黑洞的空间效应，可以解释宇宙膨胀的特征。
    从宇宙大尺度上看，黑洞基本上是均匀分布的，黑洞是宇宙现在膨胀的发动机，因为宇宙膨胀是整体膨胀与局部震荡的综合效应，宇宙整体膨胀可以用哈勃定律来描述。但是，有大量观测结果用哈勃定律无法解释。比如恒星的蓝移，如果用黑洞的空间效应就能解释恒星的蓝移。蓝移的恒星相对于黑洞一般位于观测者的这一侧，而且离黑洞较近，相对于观测者来说，当黑洞的局部震荡膨胀效应大过宇宙整体膨胀效应时，这颗恒星好象是向观测者飞来，如果再叠加上恒星自身的运动速度，就表现为蓝移。恒星蓝移并不只是恒星自身的运动引起的。同时可以预言，黑洞周围的恒星与黑洞和观测者的位置角度不同，远近不同，会表现出不同的红移和蓝移，它们均与哈勃定律有出入。反过来，根据恒星红移和蓝移与哈勃定律的差异关系，可以定量的分析黑洞的空间局部震荡效应，进一步还可以定量的分析黑洞的空间效应。根据相对论推导出了质能方程，根据规律场论和超玄理论，也可以推导出质空方程。
    黑洞的空间局部震荡效应与黑洞的质量成正比，与距离成反比，对星系内部越靠近黑洞的恒星影响越大，所以只有离黑洞较近的恒星容易观测到蓝移现象，而且非常稀少。对星系来说，黑洞的空间局部震荡效应不可能盖过宇宙的整体膨胀效应，所以星系观测不到因黑洞的空间局部震荡效应引起的蓝移现象。但是，黑洞的空间局部震荡效应对星系的红移还是有影响的。实际上，星系的红移是宇宙的整体膨胀与空间局部震荡的叠加（星系自身运动随着距离的增加对观测影响将变小），所以，星系的红移在哈勃定律的基础上有快有慢，星系红移的千变万化，正是黑洞的空间效应引起的。
    用黑洞的空间效应，就能很好理解类星体的观测特征。类星体都是比较古老而遥远的星系，宇宙的膨胀特征决定了，宇宙中物体的年龄与它与我们的距离成正比，类星体的年龄说明了它们产生在宇宙早期，因那时宇宙的空间、物质、能量分布，才有条件形成类星体那样的星系，类星体实际上就是宇宙早期形成的一类特殊的星系，它们的特征就是物质密度高而体积小，类星体中心都有一个巨大的黑洞，把一个星系的巨量物质吸引在一个类似恒星系的较小的空间内，并不断把巨量物质吸进黑洞视界，物质越靠近黑洞视界，体积就会越小，因角动量守恒，黑洞视界周围的物质会呈加速状态的高速旋转，产生极高的温度，形成巨大的磁场，产生黑洞周围极为明亮的吸积盘辐射特征。最终有一部分物质进入黑洞视界，转变为空间，产生了巨大的黑洞的空间局部震荡效应，而使类星体的红移与它周围的正常星系有很大不同。所以类星体必然表现出我们观测到的特征：体积小、质量大、密度高、辐射亮、红移怪。为什么类星体的红移怪？类星体的物质运动与分布，也是涡旋结构，实际上黑洞周围的物质分布大都呈涡旋结构，当黑洞吸引涡旋结构分布的物质进入黑洞视界时，它产生的空间局部震荡效应，也按这种物质分布特征而变化，反映在类星体的红移上，可能随时都有微小的震荡起落。所以类星体的红移是由三方面原因造成的：首先是宇宙整体膨胀、其次是黑洞空间局部震荡效应、再次是涡旋结构质量分布特征，这三方面原因的叠加效果，就是我们观察到的类星体红移，显得与众不同。星系的红移，一样的受到上述三个因素的影响。
    宇宙膨胀的动力源有两个方面。一是宇宙大爆炸初期产生的斥力。当宇宙演化形成黑洞之后，黑洞的空间效应就逐渐成为宇宙膨胀的主要动力源。分析宇宙的膨胀特征，就可以知晓宇宙发展演化的阶段。现在宇宙在加速膨胀，说明黑洞提供的膨胀动力充足，宇宙还年轻，充满了活力。
    几乎每个星系中心都能确定有一个黑洞。根据现在恒星的演化理论，恒星的归宿是白矮星、中子星、黑洞，我们知道，星系中白矮星、中子星有很多，按照现在黑洞的形成理论，在星系中也应该有许多黑洞，如果黑洞的空间效应确实存在，我们应该很容易观测到，但事实并非如此。星系中黑洞应该不会太多，主要都集中在星系中心。那么，那些要演化成为黑洞的恒星都哪儿去了？我认为，在中子星与黑洞之间，还存在一类特殊的天体“夸克星” [15]，一类由最基本粒子组成的天体，这也符合规律场的层级理论。但基本粒子是一系列粒子，哪一类能稳定存在形成致密天体呢？还得进一步研究和观测。

七、黑洞的空间效应对银河系物质运动的影响

银河系是我们身处的星系，离我们最近，各种观测数据相对容易得到，也比较准确。银心黑洞的空间效应，深刻的塑造了银河系的物质运动。观测银河系的物质运动，也就能观测到黑洞空间效应的特征。
7.1、星系的质量分布特征
    据天文学家估计，在我们的太阳系中，太阳独自占据了99．86％的质量。而所有的行星（包括现在已经被归为矮行星的冥王星）只占整个星系质量的0．135％。彗星、小行星、气体和灰尘合计占了剩下的0．005％的比重。从而可以推断，星系的质量分布，绝大部分都集中在星系中心，尽管银河系是太阳系的上一级星系，但它们的质量分布特征应该是类似的，至少是一个比例量级，因此银河系的总质量绝大部分都应该集中在中心的黑洞之中。现在观测得到的银河系总质量为1.2-1.9万亿倍太阳质量，正常可见物质为240-3800亿倍太阳质量[16]，根据现在观察到的银河系的可见物质，可以大致估计银河系中心黑洞的质量约为0.8-1.6万亿倍太阳质量，比现在推测的430万太阳质量 的值要大得多，这种估计更符合黑洞空间效应的要求，而不是现在计算出来的宇宙间暗物质、暗能量、普通物质的质量比例。而且，如果暗物质占了宇宙总质量的26.8%，而普通物质只占4.9%，星系必将由暗物质主导，而暗物质又是弥漫在空间中的，难以形成现在这样的向心引力，无法形成星系的涡旋结构。现在用大型计算机对星系进行建模运算已经证明了这一点，人为加入暗物质暗能量之后，就无法形成现在观测到这样相对稳定的星系。
7.2、星系的涡旋物质分布特征
    太阳系中的八大行星都位于差不多同一平面的近圆轨道上运行，朝同一方向绕太阳公转，形成太阳系的圆盘状结构，这也是恒星系的普遍结构形态。而现在观察到的如银河系一级的星系，其基本结构形态都是涡旋星系，以及涡旋结构的变体，而没有观察到一个象恒星系那样的行星呈点状分布的圆盘状结构的星系，为什么会这样！
    星系的涡旋结构只能用黑洞的空间效应来解释。
    星系的绝大部分质量集中在中心的黑洞中，黑洞的引力吸引星系物质绕黑洞公转，如果引力在一定时间内相对稳定，银河系那样的星系也会形成象太阳系一样的盘状结构。但是，因为黑洞空间效应的存在，震荡扩大的空间，对围绕黑洞旋转的物质就相当于刹车作用，使物质的旋转速度变慢，物质的旋转速度变慢的程度与物质离黑洞的距离和星系质量分布有关，离黑洞越近刹车作用就越强，星系质量分布特征决定了刹车作用的起落变化，黑洞引力和空间效应的共同作用的结果，就形成了星系物质向中心集中的连续不断的旋臂。如图3。

图3 星系的涡旋结构
    黑洞的空间效应对围绕其旋转的物质有刹车作用，减缓了物质的运动，就相当于增大了黑洞自身引力，从而使物质不断减速向黑洞螺旋式靠近，并最终落入黑洞，为黑洞的空间效应不断提供原材料。因此，星系大多数是动态的涡旋结构，而不可能形成象太阳系一样的稳定的圆形轨道的盘状结构，并源源不断的吸引周围物质掉入黑洞，涡旋结构是星系的基本结构，其它结构都是基本结构变形而来。
7.3、银心黑洞的空间效应对银河系旋转曲线的影响
    现在观测到的银河系旋转曲线如图4：

图4银河系旋转曲线

     最新得到的旋转曲线[17]在银心距25 kpc以内基本是平的，在25 kpc以外随银心距的增大而减小，到100 kpc时降为150 km/s左右。除了上述整体趋势外，旋转曲线上还存在两个局域低谷，分别位于银心距约11kpc和19 kpc处。在100 kpc外侧旋转曲线渐趋平坦。
    银河系旋转曲线正是银心黑洞引力与黑洞空间效应产生的“斥力”以及银河系物质分布综合作用的结果。旋转曲线的起伏与银河系旋臂的形态有一定对应关系。因为黑洞空间效应之局部震荡效应是呈震荡变化的，因此银河系旋转曲线也是随着这种震荡而有所变化，不同时间节点观测的旋转曲线应该略有不同，而不是一成不变的。
7.4、银心黑洞的空间效应对费米泡气体红移和蓝移的影响（离银心较近物质）
    费米泡是由银心向外扩散展开的，在空间延伸数万光年，发射高能伽马射线的巨大气泡状结构。研究人员利用哈勃太空望远镜探测穿越费米泡的类星体星光，测量出费米泡气体靠近、远离地球的速度，下图是费米泡气体靠近、远离地球的速度变化图5：

图5 类星体星光穿越费米泡的红移和蓝移特征

从图中可以看出，费米泡气体靠近地球的这一侧呈现出蓝移特征，远离地球那一侧成红移特征。这正是黑洞空间效应之局部震荡效应的反映。黑洞空间局部震荡效应就犹如涟漪般由内向外震荡开来，它会把靠向地球这一侧的气体推向地球，在特定的情形下，当气体推向地球的速度加上气体本身运动的速度大于宇宙膨胀速度的时候，气体就呈现出蓝移特征。宇宙整体膨胀是与距离成正比的，在远距离的大尺空间才明显，银河系内部物质间从宇宙的尺度看，距离是很小的，宇宙整体膨胀的效果并不明显，但黑洞空间局部震荡效应与距离成反比，近处的影响大，远处的影响小，所以星系内侧各处物质间，往往受黑洞空间局部震荡效应的影响很大。同理，银心背向地球那一侧的气体，就会被震荡涟漪推着远离地球，再叠加上气体本身运动的速度，背向地球那一侧的气体就呈现出红移的特征。从上面的关系可以看出，气体红移的量比蓝移的量要明显得多。

费米泡气体的红移和蓝移机制，可以推广到银河系恒星的运动之中，受黑洞空间效应的影响，恒星红移比蓝移要普遍得多，蓝移是特殊现象。蓝移是由物体本身的运动叠加上黑洞空间局部震荡效应共同作用的结果。
7.5、黑洞的空间效应对银河系中矮星系的影响（银河系外围物质）
      矮星系（Dwarf galaxies）是光度最弱的一类星系﹐在5万秒差距之外看不到，其绝对星等M 为-8～-16等，有的矮星系是椭圆星系﹐也有的是l型不规则星系。这两种矮星系都是小的﹐成员星通常也不多。至今人们发现了独立地绕银河系运动的矮星系有20多个，离银河系中心最近的只有4．2万光年。矮星系光度弱恒星少，很不容易观测到。但矮星系也是星系，同样遵循星系形成的规律。矮星系中心一般也有黑洞，从矮星系光度弱可以判断，其中心黑洞质量较小，吸引的周围物质也少，没有明显的中心吸积盘，因此，矮星系中心黑洞的空间效应比较特殊，就是局部震荡效应弱而小，对周围恒星的刹车作用也就弱而小，所以矮星系的“暗物质”（星系质量）更倾向于集中在中心区域，其实就是中心的黑洞质量，矮星系中恒星的旋转曲线，就更接近引力引起的经典旋转曲线。
      当矮星系闯入银河系后，被银河系引力捕获，那就要受到银河系引力控制。矮星系大多在银河系外围，受到银心黑洞空间局部震荡效应也很小，主要受到银心黑洞引力影响。这时候的矮星系，就象木星带着众多卫星绕太阳旋转一样，矮星系中的恒星既受到矮星系中心黑洞引力的影响，又受到银心黑洞引力的影响，就看谁对它的引力强度大，谁大谁起主导作用。因此矮星系中的恒星受力情况比较复杂，特别是矮星系外围的恒星，更容易受到银心引力的控制。最近中法联合实验室观测到[18]，如果矮星系是第一次进入银河系的引力场，银河系的潮汐引力可以严重地破坏矮星系的稳定性，并直接控制其中恒星的运动速度，矮星系的引力质量与银河系对其施加的引力高度相关。

正是矮星系的上述特征，似乎矮星系并不需要暗物质就可解释其运动。与以前观测到的“矮星系中存在巨大的暗物质才能维持其恒星的大速度运动”相矛盾。从黑洞的空间效应角度，就可以理解这种矛盾现象：矮星系绝大部分质量集中在中心黑洞，为其恒星的大速度旋转运动提供向心力；由于其中心黑洞空间局部震荡效应很弱，其恒星旋转曲线与一般星系的平直型旋转曲线不同，更符合经典引力理论，似乎暗物质都集中在矮星系中心。

根据奥卡姆剃刀原理[19]，多余的假设必定引出多余的问题。“暗物质”假设就是这样，它无法解释在同样条件下，为什么有些地方有暗物质有些地方没有、有些地方强有些地方弱等等这些相互矛盾的现象，因为它是多余的假设。

矮星系的观测特征，可能说明一些矮星系是星系演化的晚期阶段，星系物质大部分已经被黑洞吞噬转化成了空间，只剩下一些残余骨架，飘荡在宇宙空间。

八、黑洞空间效应的实验探测方法

2016年，科学家宣布，引力波探测器探测到了引力波信号，从而用实验证明了引力波的存在。引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。基于上述原理设计的引力波探测器实际上是探测空间的微弱震荡[20]。因此，用引力波探测器是可以探测到黑洞的空间效应的。黑洞的空间效应在宇宙中非常常见，按理说引力波探测器极高的灵敏度是很容易探测到黑洞的空间效应的，而实验结果并非如此，那又是为什么呢？

问题出在引力波探测器的设计上[21]。上次直接探测到引力波信号是美国的LIGO激光干涉仪，其基本原理是，把引力波扫过导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。LIGO的臂长有4 km，内部更是让光路反射了400次，激光光路长度达到1600km，才勉强测到了大约跟质子半径一个量级的空间变化。4 km臂长范围内的空间变化，与宇宙尺度下黑洞引起的空间膨胀，当然过于微小，不容易测量到。科学家们也意识到这个问题，同样的原理，若放到天上，能得到更长的臂长，可长达数万公里。这样引力波导致的空间变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划，中国也提出了天琴计划，都是打算发射空间卫星，组成干涉仪网络，进行长距离的干涉测量。

用引力波探测器探测空间变化的原理，是可以探测到黑洞的空间效应的，只不过要对引力波探测器做适当调整。离我们最近的黑洞，当然是银河系中心的黑洞，理论上银心黑洞的空间局部震荡效应很容易探测到。从费米泡气体的蓝移和一些河内恒星的蓝移，我们知道银心黑洞空间局部震荡效应是比较明显的。黑洞的空间局部震荡效应有三个特点：一是有方向性，从黑洞中心向外扩散；二是有强度变化，与距黑洞的距离成反比；三是与空间大小有关，与两质点的空间距离成正比。探测黑洞的空间局部震荡效应就要利用这三个特点，一是探测器的方向要指向银心，二是要离黑洞较近，三是尽量增大两质点的距离。空间卫星干涉仪网络显然更能利用这三个特点。

不妨脑洞开得更大一些。我们可以利用月球，在登月车中加装相关设备，组成地-月之间的引力波探测器或者空间局部震荡探测器，地-月之间的引力波探测器的雏形已经有了，在嫦娥-3着陆探测延寿拓展任务中,使用我国自主研发的行星无线电接收机实现了亚毫米精度的月球微波测距技术验证[22]。这一技术稍加发展，就可以测量引力波和空间局部震荡。

上述方案也适合火星及其他行星，只是技术难度比月球大多了。技术难度小的方案也有，就是直接观测脉冲星的脉冲信号的变化。因脉冲星自转的稳定性，脉冲星每隔一个固定时间就会发一个固定信号，而且非常精确，能精确到千万亿分之一。脉冲星的计时观测[23]，在发现地外行星和证实引力波方便，已经做出了巨大成就。今年9月6日，基础物理突破奖评选委员会宣布了基础物理学特别突破奖得主为英国天体物理学家Jocelyn Bell Burnel（乔瑟琳·贝尔·伯奈尔），以表彰她发现了脉冲星[24]，算是对贝尔·伯奈尔50年前错失诺贝尔奖的一种补偿，这段传奇，也算是给热爱科学的世人一个人心公道。

在地球指向银心的方向上，选择合适的脉冲星，通过脉冲星的计时观测，就可以反映出该时段脉冲星光穿过的空间的变化情况，接合脉冲星光的红移变化，就可以反映出银心黑洞空间局部震荡效应情况。

同理，日-地之间就是天然的引力波探测器或者空间局部震荡探测器，因为日-地之间的距离受到引力波和黑洞空间局部震荡效应的影响是有所变化的，只要精确的测量了地球自身的运动，过滤掉地球本身的潮汐运动、大气运动及其他行星等等引起的干扰信号后，就可以得到空间震荡信号[25]。其实，我们早就观测到这种信号了，只是不自知而已，让科学家苦恼多年的那些无法解释的地球微弱的不规则运动现象，就是这种信号。

只要意识到了黑洞空间效应的存在，而且它还是塑造宇宙的主要力量，我们就一定能观测到它。

九、质空方程

如果黑洞的空间效应是真实存在的，那就必然会推导出质空方程，搞清楚物质、能量、空间的相互转换关系，进一步推进对宇宙本质的认识。
9.1、宇宙中质能比例说明了什么
    普朗克卫星最新观测宇宙各物质组分为[26]：重子物质4.9%、暗物质26.8%、暗能量68.3%。宇宙的基本构成，目前就是这个比例。因黑洞的空间效应的存在，宇宙的基本构成组分之间，是存在相互转换关系的，即物质、能量、空间是可以相互转换的。也就是说，我们可以把重子物质4.9%看成现在宇宙中物质的比例，暗物质26.8%看成现在宇宙中能量的比例，暗能量68.3%看成现在宇宙中空间的比例。宇宙组分比例反映的正是宇宙中物质、能量、空间的比，这三者构成了宇宙的全部。普通物质、暗物质、暗能量加起来等于100%，100%就是1嘛！什么意思？就是说，不管什么时候，宇宙中物质、能量、空间的总和始终是不变的，是守恒的，宇宙守恒。

宇宙从138亿年前爆炸之时，直到现在，一直是守恒的，这就是宇宙变化中的不变量。宇宙各组分的转化，就构成了宇宙的演化，就是现在的标准宇宙模型。如果在标准宇宙模型中，引入宇宙守恒这一观念，就更容易理解宇宙的行为。比如宇宙早期，空间较小，因宇宙守恒，物质和能量就占了很大比例，稠密的物质稍有起落就能演化成质量大体积小的密集的星系，现在观测到的类星体就是这种机制的反映。

可见，稳恒态宇宙[27]与暴胀的宇宙，不但不矛盾，而且还是统一的。不管什么时候，宇宙中空间、能量、物质的总和是守恒的、不变的，但空间、能量、物质的转换过程，就形成了暴胀的宇宙，就是宇宙的不断演化过程。暴胀的宇宙是在宇宙守恒的前提下的暴胀，宇宙守恒是在空间、能量、物质不断转换的状态中的守恒。我们要在变化中看到不变的东西，要在不变中看到变化的趋势。在变化中寻求平衡，在平衡中协调变化，这就是我们身处其中的宇宙。

黑洞的空间效应，会使重子物质、暗物质的占比进一步减小，暗能量的占比进一步扩大，从重子物质4.9%、暗物质26.8%、暗能量68.3%的比例分析，可以大致判断宇宙的演化阶段，因为重子物质占比已经较少了，宇宙的加速膨胀应该慢慢减速，这种推断也与观测事实相符。

黑洞的空间效应，会使物质、能量、空间相互转换，宇宙守恒，宇宙应该是平坦的，在宇宙的演化过程中，空间曲率会渐趋于0。
9.2、时间的性质
    物质、能量、空间的相互转化过程就是时间，时间是宇宙的运动演化过程，时间就是过程性，时间就是因果性。时间是宇宙的基本参量，但却不是宇宙的基本元素，不能与物质、能量、空间并列。对时间的本质长期认识不清，给我们造成了不少困扰。宇宙的运动演化遵循规律场，时间当然必须遵循规律场，也正是规律场的性质决定了时间的性质，决定了时间的统摄结构，决定了事物的因果关系。
    首先，是时间的方向。逝者如斯夫，为什么时间有过去、现在、未来的方向性？这是规律场系统层次结构的性质决定的。那时间能逆流回到过去吗？当然不能，规律场统摄性原理决定了时间只能单向流动，不可回流。那为什么有些物理运动变化可逆，似乎过程变得可逆，而时间不可逆呢？那是因为这些可逆物理变化我们是从相对封闭的同级层次去考察的，而时间是从宇宙整体角度考察的，以前根本就没有考虑到规律场统摄性原理的影响，认为物理过程可逆时间就可逆，其实质是对时间的本质认识不清，时间只能单向流动。
    其次，是时间的均匀性问题。时间是宇宙演化运动的过程，是“过程”当然就不存在什么均匀性。只是人们为了量化“过程”的进度，引入均等的概念，建立起一个可以量化的参考系，以便于观察和计量，所以时间计量都是以均匀运动或变化来进行的。我们平时所说的时间，其实是对时间的度量，是度量时间，年月日时分秒是时间的度量单位，它们并不是时间本身。
    再次，是时间的同时性问题。时间是宇宙演化运动的过程，宇宙演化运动具有系统层次统摄性，同时性必须在系统层次统摄性的前提下考察，不同统摄系统（参考系）发生的事件，就不能用同时性去考察，此处的同时性没有意义，如果非要去考察两件事件的时间先后性，那就只有扩大统摄参考系统，使两事件处于同一参考系的统摄之中，就能区分它们发生的时间性。因规律场具有始终是全息整体而又能无限分割的特性，时间也有这个特性，使得我们对时间的理解有点团难，时间的同时性是相对的，两事件既可以是同时发生的又可以是不同时发生的，关键点是统摄参考系的选择（