爱华网前 言
60 年代初，在我还是个学生时就对宇宙的起源问题产生了非常浓厚的兴趣。大爆炸理论诞生于20 年代，但直到50 年代才引人注目。当时这种理论虽已广为流行，但远未使人信服。稳恒态学说与大爆炸理论相悖，它断然否认宇宙存在着起源问题。在半个多世纪里，稳恒态学说是最为流行的理论。1965 年，罗伯特·彭齐亚斯（Robert Penzias）和阿诺·威尔逊（Arno Wilson）发现了宇宙背景热辐射。这一发现，使大爆炸理论被更多的人所接受。那么，这能否被看作是宇宙在炽热的猛烈爆炸中突然诞生的确实证据呢？
宇宙学家们异常兴奋地在探索这一发现的意义。大爆炸100 万年后的宇宙有多热？大爆炸1 年之后、1 秒钟之后情况又如何？在原初的炽热状态中曾出现过多少种物理过程？是否可能找到宇宙诞生时的遗物，而这种遗物还保留着当时曾压倒一切的极端条件的痕迹？
1968 年，我曾参加了一次有关宇宙学的讲座。那次讲座对我来说依然记忆犹新。在即将结束演讲时，那位教授根据背景热辐射的发现这一事实，评估了大爆炸理论。“一些理论家已开出了宇宙化学成分的清单，”他微笑了一下说道，“这份清单的根据是大爆炸最初三分钟发生的核反应过程。”所有的听众哄然大笑。这给人一种印象，即试图描述宇宙刚诞生时的状态似乎是极其荒谬的。甚至就连那位异常仔细地研究了《圣经》之后宣称宇宙诞生于公元前4004 年10 月23 日的詹姆斯·厄谢尔（James Ussher）大主教，也没有胆量列出宇宙最初三分钟所发生的事件的准确顺序。
在宇宙背景热辐射发现约10 年之后，最初三分钟的理论已在大学里进行讲授，这是科学的进步。美国物理学家和宇宙学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）在1977 年写了一本畅销书，书名为《最初三分钟》（The First Three Minutes）。此书被公认为科普读物的里程碑。作为一位知名的权威和专家，温伯格在书中向世人描绘了一幅完全令人信服的宇宙起源图，包括在大爆炸之后仅仅数秒或几分钟内出现的详细过程。
当大众还陶醉于那些令人兴奋的成就时，科学家们却已在向前迈进。他们的注意力开始从对“早期宇宙”（大爆炸后数分钟）的研究转向了对“极早期宇宙”（大爆炸后极短暂一瞬间）的研究。约过了10 年后，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）大胆地在《时间简史》（A Brief History of
Time）一书中提出了关于大爆炸后最初一万亿亿亿忆分之一秒时的最新观念。现在看来，1968 年那次讲座结束时听众发出的哄笑显得是多么无知。
随着大爆炸理论逐渐被大众和科学界所充分接受，人们越来越注重对宇宙未来的研究。我们现在已有了宇宙如何诞生的很好的概念，但宇宙将如何结束呢？它最终的命运又将如何？宇宙是否会以爆炸或抽搐的形式终其一生，或甚至永久消失？那时人类又将如何？人类或其后裔——无论是机器人还是人类自己——能否幸免于难而永复存在？
即使哈米吉多顿（Armageddon）*正好不在附近，对这类事情如果不产生好奇是不可能的。由于近来因人为危机的困扰，我们不得不思考现实宇宙学尺度时，我们为在地球上生存下去而奋争便成为备受欢迎的新内容。《宇宙的最后三分钟》正是一本描述宇宙未来的书。此书根据一些著名物理学家和宇宙学家的最新研究成果，并尽我们所能来对宇宙的未来作一番预测。这种预测绝非基督式的启示。事实上，经验的发展和累积蕴育着空前的潜能，而宇宙的未来使这种潜能充满了希望。然而，我们决不能忽视物之有生亦必有死的事实。死亡或许正是为创生而不得不付出的代价。
* 哈米吉多顿是圣经《启示录》中3 个魔鬼聚集天下众王的总称，作为世界末日的代名词或预言家——译者注
gbu-24a
2005-7-10 19:01:06
这本书是为普通读者撰写的，阅读时无需具备专业知识，也不需要数学。然而，在书中我有时不得不讨论一些很大或很小的数字。使用一种简洁的数学符号来表示这些数字是很有用的，这种符号就是“10 的幂次方”。这里介绍一下它的用法。一个数，例如1000 亿，完整地写出来是100000000000，这是相当麻烦的事。在这个数里1 后面跟着11 个零，因此我们可以用10e11 来表示。类似地，100 万为10e6，10000 亿是10e12。当幂指数增加时，这种符号会掩盖数字的增大速度。例如，10e12 比10e10 大100 倍，前者是个大得多的数，尽管看上去它们几乎相同。也可以用10 的负幂指数来表示很小的数。例如，十亿分之一，即1/1000000000 可写成10e-9，因为这个分数的分母为1 后面有9 个零。
最后，我要忠告读者，本书无疑在很大程度上是推测性的。宇宙的基本演化图象是建立在相当科学的基础上的，它先从大爆炸起源，随后膨胀并向某种物理终态退化冷却，或可能是灾变性地坍缩。但是，对于在所涉及的无限时标上可能会出现什么样的起支配地位的物理过程我们还很不清楚，天文学家对普通恒星的总体命运已有清晰的观念，对中子星和黑洞的基本特征也理解得越来越深刻。但是，如果宇宙能存在好几万亿年或更长的时间，或许会存在一些非常微妙的、我们仅能推测其存在的物理作用，而这种作用最终会变得极为重要。
既然我们面对着因对自然规律一知半解而产生的问题，因而试图推演宇宙最终命运的最好方法就是，利用现有最完善的理论来演绎出合乎逻辑的结论。然而问题在于，许多与推测宇宙最终命运有重大关联的理论仍有待于实践的检验。我在这里讨论的一些物理过程，如引力波发射、质子衰变和黑洞辐射等，虽然理论家已深信不疑，但这些过程至今尚未观测到。更重要的是，毋容置疑还存在着一些我们一无所知的其他物理过程，这些过程或许会大大地改变我的结论。
这些不确定因素在技术领域以及宇宙智能生命的作用方面显得更为突出，在这一点上，我们将一起进入科学幻想的王国。不仅如此，我们还不能忽视这样一种情况：经过千秋万代之后，生命体或许能极大地改变空前巨大尺度上物理系统的特性。在本书中，我打算把宇宙中的生命体作为一个议题，这是因为就许多读者来说，对宇宙命运的关注是与他们对人类及其后裔的命运的关注紧密相连的。我们应该始终记住，科学家们还远没有真正认识人类意识的本质，以及能容许意识活动在宇宙遥远的未来继续下去所必需的物质需求。
在编写本书时，我曾与约翰·巴罗（John Barrow）、弗兰克·蒂帕勒（Frank Tipler）、贾森·特瓦姆利（Jason Twanley）和罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）就本书的主要内容进行了有益的探讨，在此表示诚挚的谢意，并要感谢本系列丛书的编辑杰里·莱昂斯（Jerry Lyons）对书稿一丝不苟的评阅。
gbu-24a
2005-7-10 19:13:02
第一章 “世界末日”
日期：公元2126 年8 月21 日，世界末日。
地点：地球。
绝望的人们在整个星球上四处寻觅藏身之处，数以十亿计的人已走投无路。一些人绝望地在寻找废弃的矿井、洞穴，甚至潜水艇，恐慌之中想在地下深处找到逃生之地，但另一些人却毫不在意，他们横冲直撞，杀气腾腾。然而，大多数人只是痴呆而静悄悄地坐着，等待死神的降临。世界末日来临了。
高空中，一道巨大的闪电印在天幕上。初时，一条轻絮般细管形辐射状星云逐日膨胀，形成一股气旋，翻滚着向空寂的天宇涌去。长条形气旋的顶部是一个外形狰狞、今人恐惧的黑团，这是一颗彗星，虽然头部不大，却携带着与其很不相称的、具有毁灭性的巨大能量。它夹带着1 万亿吨冰块和岩石，以每小时6.4 万公里，即每秒近18 公里的惊人速度逼近地球。
人类唯一能做的就是坐以待毙。面对着已注定了的命运，科学家们早就抛弃了他们的望远镜，悄然地关上计算机。对灾难无休止的模拟，结果仍然模棱两可，而他们的结论又使人惊恐万分，无法公诸于世。一些科学家利用普通老百姓所没有的尖端技术优势，精心准备好了逃生计划。另一些科学家则打算尽他们所能来仔细观察这世界的末日，并把观察数据传至深埋于地球内部的时代信息密封器。他们在最后一刻，仍然起到一个真正的科学家应起的作用。
撞击时刻临近了。全世界成千上万的人都在紧张不安地看着手表。这正是宇宙的最后三分钟。
爆心投影点正上方的天空被劈开了，掀起几千立方公里的气浪。一条比城市还宽的灼热火焰沿弧线冲来，15 分钟之后急速击中地球。一万次地震才具有的巨大力量使地球不停地震颤。空气被挤压而产生的冲击波横扫地球表面，沿途所有建筑被夷为平地，一切的一切都被碾成粉末。撞击点周围的平地升起一个几公里高的液态环形山，在100多公里直径的撞击坑穴中，地球内层暴露无遗。熔岩壁波浪式地向外涌出，地面颠簸起伏，犹如一条因受拍打而缓慢蠕动的毛毯。
坑穴内部数以万亿吨计的岩石被汽化，而数量比这多得多的物质则被高高抛起，其中一部分直接抛入太空，更多的则被扔过半个大陆，暴雨般地撒落在数百乃至数千公里以外。受害之地万物尽遭严重毁坏。急射而出的熔岩一部分会落入大洋，激起巨大的海啸，从而加剧了悲剧的蔓延。大量的尘埃碎屑在地球大气中飘散，导致全球遮天蔽日。
不过，当抛入太空的物质返回大气层时，照射地面的将不是阳光，而是由数以十亿计流星所发出的眩目不祥之光，这种强光所带来的无情的酷热将使大地变为焦土。
上述景象也许会发生，也许并不会发生。天文学家已经算出，一颗名为斯威夫特—塔特尔（Swifi 一Tuttle）的彗星，在公元2126 年8 月21 日与地球相撞的概率为百万分之一。假若真的发生了，全球性的毁灭是不可避免的。全部人类文明便有可能毁于一旦。要是没有相撞，人类便会宽慰地舒一口气，并安心返回工作岗位。但是，斯威夫特—塔特尔彗星或者别的某个类似的天体早晚会撞击地球。人们作过估计，至少有2 万颗直径为半公里或更大一些的天体的运动轨道与地球轨道相交。这些天外来客起源于寒冷的太阳系外部区域，有些来自位于火星和木星之间的小行星带，另一些则是彗星的残骸，后者可能是从一个极其巨大的碎片团中分离出来的。这个碎片团距太阳约1 光年之远，称为奥尔特（Oort）云，它是以荷兰天文学家奥尔特的名字命名的。
许多这类天体所能造成的破坏比全世界所有核武器所能造成的破坏的总和还大。因此，问题仅在于某个天体撞击前人类究竟还有多少时间作准备。要是真的发生这种事，对人类来说将是个糟透了的新闻：人类的历史将会发生前所未有的突发性中断。然而，对地球来说这只是件颇为寻常的事。平均说来，这种量级的彗星或小行星撞击地球的事件每几百万年便会发生一次。人们普遍认为，6500 万年前的一次或数次这类事件的发生结束了恐龙时代。下一次轮到的可能就是我们人类了。
对世界末日深信不疑的观念深深扎根于大多数宗教和文化之中。圣经《启示录》中有一段关于死亡和毁灭的生动描写：“又有闪电、声音、雷轰、大地震。自从地上有人以来，没有这样大、这样厉害的地震....列国的城池都倒塌了.....，众山也不见了。又有大雹子从天落在人身上，每一个约重1 他连得。因为这雹子的灾难极大，人就亵渎上帝。”①
①：该段引自《新约全书》启示录的第十六章。文中1他连得即100磅，约45Kg。
gbu-24a
2005-7-10 19:17:52
宇宙中到处都有剧烈活动，地球只是宇宙中一个微不足道的天体，因而地球上以前很可能发生过许多可怕的事情。不过，我们的行星保持适宜生命的环境至少已有35 亿年了，因而宇宙并非完全充满敌意。
我们在地球上得以生存的秘密在于空间——巨大无比的空间。我们太阳系只是在茫茫宇宙海洋中的一个极小的活动岛。距太阳最近的一颗恒星远在4 光年之外。为了认识一下这段距离有多远，想一想光只需8 分半钟就可从太阳超越约150 百万公里到达地球。而在4 年的时间内，光将越过37 万亿公里的距离。
太阳是我们的星系——银河系中一个典型区域里的一颗典型恒星。银河系约包含1000 亿颗恒星，它们的质量从太阳质量的百分之几到太阳质量的100 倍。这些恒星，连同许多气体云和尘埃，还有不计其数的彗星、小行星、行星及黑洞一起，缓慢地绕银河系中心旋转。只要考虑到银河系可见部分的尺度达10 万光年这一事实，这个巨大的天体集团就不会给人以银河系处处拥挤不堪的印象。银河系的形状像个盘子，中心部分鼓起，几条由恒星和气体组成的旋臂从中心向外展。我们的太阳位于一条旋臂之中，离银心约3 万光年。
据目前所知，银河系毫无特殊之处。在仙女座方向上有一个名叫仙女星系的类似星系，它位于距地球200 万光年之远处，它看上去像个模糊的光斑，肉眼勉强可见。点缀在可观测宇宙中的星系有好几十亿个之多，有的呈旋涡状，有的呈椭圆形，也有的很不规则。它们的距离非常遥远。高倍望远镜能够观测到几十亿光年远的单个星系的像。某些星系发出的光到达我们这里所需的时间比地球的年龄（40 亿年）还要长。
这样大的空间意味着宇宙中碰撞是罕见的。对地球的最大威胁可能来自我们自己的家园。小行星的轨道一般不靠近地球。大部分小行星都位于火星和木星之间的一条带上。但是，木星的巨大质量会干扰小行星的轨道运动，偶而将其中某个小行星推向太阳，从而对地球构成威胁。
另一种威胁来自彗星。人们认为，这些看上去很壮观的天体起源于离太阳约1 光年远的一块观测不到的云团。彗星对地球形成的威胁并非源自木星，而是来自过路的恒星。银河系不是静止不动的，这是因为随着恒星绕银河核心作轨道运动，因而银河系呈现缓慢的自转。太阳连同它的行星小伙伴们每2.5 亿年绕银心运动一周，沿途它们会有许多奇遇。附近的恒星或许会掠过彗星云，把一些彗星引向太阳。当彗星穿入内太阳系时，彗星的某些易挥发物为太阳所蒸发，而后又被太阳风吹成长流，形成壮观的彗尾。在非常偶然的情况下，某颗彗星在内太阳系的逗留期内会与地球相撞。这颗彗星便造成了对地球的破坏。但是，真正的罪魁祸首应是那些过路的恒星。幸运的是，由于恒星间的距离相隔很远，这种恒星间交会是不多的。能造成全球性严重破坏的彗星撞击事件充其量也不过几百万年发生一次。
gbu-24a
2005-7-10 19:20:36
其他天体在环绕银心运转的途中也会穿越我们的轨道。当巨大的气体云缓慢地从附近飘过时，尽管它们比实验室里的真空还要稀薄，但仍会极大地改变太阳风或影响来自太阳的热流。更可怕的也许是潜伏在黑沉沉太空深处的那些天体。游离漂泊的行星、中子星、棕矮垦、黑洞，所有这些天体可能会无声无息地向我们突然袭来，造成太阳系的浩劫。
要是换一种情况，威胁或许更为凶险。有些天文学家认为，我们的太阳可能与银河系里大多数恒星一样，实际上是个双星系统。太阳的这颗伴星——我们称之为复仇女神或死亡之星，可能因为太暗又太远，至今尚未被发现。但是，从引力效应上仍可察觉它的存在。在它绕太阳作缓慢转动的过程中，会周期性地影响那个遥远的彗星云，导致约每3000 万年一次的彗星风暴，并进而引发一系列蹂躏地球的碰撞。幸好，太空再次成为我们的保护屏。银河系里的天体密度非常低，因而来自太阳系外的引力扰动尽管不是绝无可能，但也毕竟极为罕见。
更往远处看，天文学家可以观测到似乎正在碰撞中的两个星系所组成的系统。银河系与另一个星系碰撞的可能性有多大呢？某些快速运动恒星的存在证明，银河系也许已经与附近一些小星系发生过碰撞，受到了扰动。但是，两个星系的碰撞不一定会使其中的各别恒星招致灾难。星系内部恒星分布极其稀疏，星系可以彼此并合，却不发生恒星之间的直接碰撞。
大多数人为世界的末日——世界突然遭到大规模破坏——而惊慌失措。不过，与缓慢地衰亡相比，暴卒产生的恐惧要更少些。有许多种情况会使地球环境逐渐变得不宜居住。生态的缓慢退化，气候的变迁，太阳输出热量的少许变化，所有这些假如会使人类不能生存下去的话，那么都会令生活在这脆弱行星上的人寝食不安。
然而，这些变化发生在几千年甚至百万年的时间尺度上，人类有可能运用新技术与之搏斗。例如，只要有足够的时间采取措施去重新组织我们的活动，一个逐渐开始的新冰川期便不会招致人类种族的大灾难。如果我们认真地推测一下，在未来的几千年里技术得以继续飞速发展，则有理由相信，人类或者他们的后代将能控制越来越大的物理系统，并最终能避免那怕是天文尺度上的灾难。这是否意味着人类原则上能够万劫不朽吗？这是可能的。但是，我们将看到，永存并不那么容易实现，也许还可证明那是不可能的。宇宙作为整体必定受物理定律的支配，因此它也有自己的生命循环：诞生，演化，以及可能还有死亡。我们自己的命运不可避免地会与恒星的命运纠缠在一起。
gbu-24a
2005-7-10 19:35:33
第二章 走向死亡的宇宙
1856 年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermanvon Helmholtz）作过一项调查，以图了解在科学史上哪一个预言可能最令人灰心丧气。亥姆霍兹声称，那就是宇宙正在走向死亡。这种启示式断言的根据来自所谓热力学第二定律。这一定律（现在常简称为“第二定律”）最早是在19 世纪初提出的，当时此定律专门用于说明热机的效率。人们不久就认识到它有着宇宙学意义；事实上也差不多就是宇宙的结局。
以最简洁的方式来说，第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。当然，对于物理系统来说，这是众所周知和显而易见的特性。无论是煮饭或让一杯热咖啡冷却，都可认识到这条定律在起作用：热量从温度高的地方流向温度低的地方，对此丝毫没有神秘奥妙可言。物质的热量以分子的无规则运动表现出来。在空气之类的气体中，分子作无规则运动并相互碰撞，在固体中，原子通常被束缚在一定的位置上，尽管如此，原子同时又在这一位置附近作强烈的振动。物体越热，分子运动的能量越大。要是让两个不同温度的物体相互接触，温度高的物体中比较强烈的分子运动很快会把它的活动性传递给温度低的物体的分子。
热流的这种方向性并非仅仅是冷的区域缺乏热能的缘故。例如，一个房间拥有大量的热能，但你决不会指望任何热能会自发地流入一杯热咖啡里而将它煮沸。我们会把这种逆向事件看作一种奇迹。强迫热量从冷处流向热处是可能的（这就是冰箱的原理），但是，要做到这一点就必须不停地消耗能量。热量是不会自发地“误入歧途”的。因为热量沿一个方向（由热到冷）流动，所以这种过程在时间上是不对称的。要是放映一部记录热量从冷处流向热处的影片，那看上去就像河水流上高山，或者雨滴上升到云层一样荒唐可笑（参见图2· 1）。所以，我们可以对热流确定一种基本的方向性，通常用从过去指向未来的箭头来表示。这种“时间箭头”表明了热力学过程的
不可逆性，物理学家曾为此迷惑了15Q 年。亥姆霍兹和其他一些学者发现了一个称为“熵”的物理量。在最简单的热流情况中，熵等于被传递的热能除以温度。当热量自发地从热处流向冷处时，
熵便增加。当驱使热量从冷处流向热处时，系统的熵就减少，但由于外部媒介需要消耗能量，结果是媒介熵的增加比系统熵的减少要多，因而一个封闭系统的总熵总是增加的。这就是第二定律的本质。
如果你把宇宙看作一个整体，多数地方的熵是不断增加的。若哪个地方的熵在减少的话，作为代价，总有另外一个地方的熵要增加。总之，宇宙的熵始终是增加的。一个很好的例子就在我们的家门口，那就是太阳。太阳（它是热的）每天把热量倾入太空（它是冷的）。这些热量消失在宇宙深处，永不返回，因此这是一个十分壮观的不可逆过程。
一个明显的问题是：熵会永远不断地增加下去吗？想象一个绝热封闭容器，内有两个相互接触的热物体和冷物体。热量从热物体流向冷物体，熵便增加，最后是冷物体温度升高，而热物体的温度会下降，直到它们达到相同的温度。一旦到达这种状况，就不再会有热交换。容器内的系统便达到某个均匀的温度，这种稳定状态称为热动平衡。一旦热动平衡建立了，熵就不再增加，它代表最大熵状态。
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gbu-24a
2005-7-10 19:52:04
只要系统保持与外界隔离，就不会再有进一步的变化。但如果通过某种方式对物体进行干扰，譬如从容器外向内再注入热量，那么热交换又将继续发生，熵也会增加到一个新的更大的最大值。这时，只要没有来自系统外部的任何干扰，熵就不会再继续增加。
对于太阳和大多数恒星来说，热量外流可以持续好几十亿年，但这种热量不是用不完的。太阳的热量产生于太阳内部的核过程。正如我们将会看到的那样，太阳最终会耗尽燃料，只要没有意外变故，它会一直冷却下去，直至与周围空间的温度相同。
虽然亥姆霍兹对热核反应一无所知（太阳巨大能量的来源在当时还是个谜），但是，他认识到这样一个普遍性原理：宇宙中所有的物理活动都是朝着热动平衡，或者说朝着最大熵这个最终状态发展的，随后，很可能再也不会发生任何有意义的活动。早期的热力学家已经认识到这种向平衡态的单向变化过程，并称之为宇宙的“热寂”。单个系统也许可能通过外界干扰可使它复生，但整体宇宙按其定义不存在“外界”，所以没有东西可以挽救宇宙兔遭万劫不复的热寂之难。这是无法逃避的！
宇宙正按这一方式走向死亡，这是热力学定律不可抗拒的推论。这项发现曾使几代科学家哲学家为之悲观失望。例如，伯特兰·罗素（Bertrand Russell）在《为什么我不做个基督教徒》一书中写下了一段悲观而感人的评述：.......一切时代的结晶，一切信仰，一切灵感，一切人类天才的光华，都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中——所有这一切，几乎如此之肯定，任何否定它们的哲学都毫无成功的希望。唯有相信这些事实真相，唯有在绝望面前不屈不挠，才能够安全地筑起灵魂的未来寄托”。还有许多作者委婉地提到热力学第二定律和正在死亡中的宇宙的含义，断言宇宙的前景渺茫，认为人类的生
存到头来也是毫无价值的。我将在第十章再回到这类悲观的议题上来，讨论这类带有悲观色彩的评论是否会是某种误解。
关于宇宙最终热寂的预言不仅使我们对宇宙的未来有了某种了解，也暗示了宇宙在过去的一些大事件。显然，如果宇宙一直在以某一有限速率不可逆地衰退，那么它不可能永远存在。理由很简单：假如宇宙无限老，那它应早就已死亡了。以有限速率演变的某种事物显然不可能永远持续下去。换句话说，宇宙必定是在某个有限时间之前诞生的。
值得注意的是，这个有深远意义的结论却没有被19 世纪的科学家们很好地认识。宇宙以大爆炸形式突然起源的思想只能依托于20 年代的天文观测，但是纯热力学研究似乎早已强烈暗示了宇宙的年龄有限，它是在过去的某个时刻创生的。
不过，因为这个简单的事实没有深入人心，19 世纪的天文学家，如海因里希·奥伯斯（Heinrich Olbers）就曾为一个难以理解的宇宙学佯谬而困惑不解。这个佯谬涉及一个简单却又十分重要的问题：夜空为什么是黑暗的？起初看起来这个问题似乎不值一提。夜空之所以呈黑色是因为恒星离我们很远，光线又很弱。然而，要是空间无限，就会有无限多颗恒星。无限多颗弱的恒星可以迭加产生大量的光芒。
假设有无限颗恒星，它们没有光变，而且大体呈空间均匀分布，那么要计算这些恒星所产生的累积星光强度并不困难（见图2·2）。恒星的亮度与距离的平方成反比。这意味着距离增大一倍，星光减弱为四分之一；距离增大3 倍，亮度减小为九分之一，依次类推。另一方面，给定距离越远，你看到的恒星数目就越多。
事实上，简单的几何学就可以证明这一点。譬如说，200 光年远处的恒星数是100 光年远处恒星数的4 倍，而300 光年远的恒星数则是后者的9 倍。因此，恒星数按距离的平方增加，而亮度则按距离的平方减少。这样，两个因素相互抵消，便引出一个简单的结果：来自给定距离上所有恒星的累积星光强度全都一样，与距离远近无关。 200 光年远恒星的总亮度与100 光年远恒星
的总亮度是相同的。当我们把各种距离上全部恒星的光累加时，问题就来了。如果宇宙没有边界，地球上所接收到的总的星光量好像是无限的。夜空根本不会是黑的，而应当是无限地亮！
要是考虑到恒星实际上有一定的大小，情况会稍有改善。虽然肉眼看来恒星都是一些光点，但实际上都是些球体。离地球越远，恒星的视直径越小。如果两颗恒星位于相同的视线上，则近的一颗便会遮住较远的那颗。在一个无限宇宙中，这种情况会出现无限多次。考虑到这一点，前面计算的结论就变了，到达地球上的光通量不再是无限大，而只是很大而已。事实上，这等价于把太阳圆面充满整个天空。这种情况相当于把地球放在离太阳表面一百万公里的地方一样。这实在是个十分不舒适的地点！地球会很快被酷热所汽化。
一个无限宇宙应当是一个宇宙熔炉这个结论，实际上是前面讨论过的热力学问题的另一种表现形式。恒星把热量和光辐射倾注入太空，这种辐射慢慢地在真空中堆积起来。假如恒星可以一直燃烧下去，那么这种辐射看来必定会达到无限大的强度。但有些辐射在太空中旅行时，会因碰到其他恒星而被再吸收（注意这等价于近距恒星遮挡住远距恒星的星光）。因此，一旦建立起某种平衡，辐射的强度便不再上升，这时发射率正好同吸收率相平衡。
当空间中辐射达到恒星温度（几千开）时，就会出现这种情况，即处于热动平衡状态。因此，整个宇宙应当充满温度为几千开的热辐射，夜晚的天空应当在这个温度上发光发热，而不是漆黑一片。奥伯斯提出了解决这个问题的一种方法。他注意到宇宙中存在大量的尘埃，指出这种物质会吸收大部分的星光，因而天空就变黑了。遗憾的是，他的思想虽然富于想象力，然而从根本上说是不能成立的。这种尘埃最终也会热起来，并开始发光发热，其强度与它们吸收的辐射强度相同。
另一种可能的解决办法是放弃宇宙空间上无限的观念。假定恒星很多，但数量有限，这样宇宙便由一个巨大的恒星集团组成，四周为无限的黑暗真空所包围。于是，大部分星光会通过流往外部空间而损失掉。可惜，这个简单的解答也有致命的缺陷。对于这一点，事实上在17 世纪艾萨克·牛顿（1ssac Newton）就已很熟悉了。问题涉及到引力的本质。每颗恒星通过引力作用吸引其他所有恒星，这样，在这个集团中所有恒星会一起向引力中心跌落、集聚。因此，如果宇宙有一个确定的中心和边界，它似乎一定会自行向内坍缩。一个无支撑的、有限而静止的宇宙是不稳定的，不能阻止引力坍缩。
以后本书还要讨论这个问题，这里我们只要注意一个巧妙的方法。牛顿就是试图用它来回避困难，其推理方式如下：宇宙会向它的引力中心坍缩，仅仅是因为假定它有一个引力中心。如果宇宙既是无限延伸的，而平均来说恒星又处于均匀分布，那么宇宙将既无中心也无边界。某颗恒星会受到它周围许多相邻恒星来自四面八方的引力作用，这情况就好比一场巨大的、四周全是绳子的拔河游戏。平均说来，所有的拉力会彼此抵消，结果恒星保持不动。
因此，如果我们接受牛顿关于坍缩宇宙佯谬的解答，我们就会再次退回到一个无限的宇宙，出现奥伯斯佯谬的问题。看来我们必然面临进退维谷的两难境地。但是，利用以后的认识，我们可以在进退两难的夹缝中找到一条出路。错的并不是假定宇宙在空间上无限，而是假定它在时间上无限。火焰般天空的佯谬是由于天文学家假定宇宙不变而产生的，即假定恒星是静止的，并以相同的强度永恒燃烧。但是，现在我们知道，这两个假定都是错误的。首先，宇宙不是静止的，而是在不断膨胀，对此后面我还要略作解释。其次，恒星不能永恒燃烧，尽管它们在用完燃料后还会长久存在。它们现在正在燃烧的事实意味着宇宙必定诞生于过去某个确定的时刻。
如果宇宙年龄有限，奥伯斯佯谬马上可以解决。为了说明这一点，不妨考虑一颗非常遥远的恒星。因为光以有限的速度（每秒30 万公里）穿越空间，我们看不到今天的这颗恒星，看到的只是光离开它时的星象。例如，亮星参宿四位于约650 光年处，所以现在我们看到的其实是大约650 年前的星象。如果宇宙诞生于100 亿年以前，那么我们不可能看到任何离地球距离远于100亿光年的恒星。宇宙在空间范围上也许是无限的，不过要是它的年龄有限，那么在任何情况下，我们都不能看到某个有限距离以外的东西。因此，有限年龄而无限数目的恒星所累积的星光应是有限的，而且可能很微弱。
从热力学角度得到了同样的结论。恒星的热辐射充满空间，并达到相同的温度所需要的时间非常之长，原因在于宇宙空间茫无边际。简单地说，从宇宙创生至今还没有足够的时间来达到热动平衡。因此，所有的证据表明：宇宙的寿命是有限的。它诞生于过去某个确定时刻，虽然现在充满着活力，但正不可避免地朝未来某个阶段将发生热寂的方向衰退。然而，这立刻会产生一大堆问题。末日何时来临？末日的形式怎样？末日是缓慢地到来还是突然降临？再则，按科学家现在对热寂说的认识，是否可以想象出结果也许证明它是错误的呢？
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gbu-24a
2005-7-10 20:01:26
第三章 最初三分钟
像历史学家一样，宇宙学家认识到开启未来的钥匙在于过去。前一章已经解释了热力学定律是如何指出宇宙寿命是有限的。整个宇宙起源于大约150 亿年前的一次大爆炸，而且这个事件确定了宇宙朝着它最终归宿演变的方式。这已是几乎所有科学家公认的观点。只要考虑到宇宙是怎样开始的，再研究一下原初阶段出现的各种过程，就可找到有关遥远未来的一些关键性线索。
宇宙并非永恒存在，而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。
大爆炸理论的科学性令人不得不信服。最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究。 20 年代，天文学家埃德温·哈勃（Ed-win Hubble）研究了维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）所作的观测。他注意到，远星系的颜色比近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种红化，并作了一张图。他发现，这种红化是系统性的，星系离我们越远，它就显得越红。
光的颜色与它的波长有关。在白光光谱中蓝色光位于短波端，红色光位于长波端。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。在仔细测定许多星系光谱中特征谱线的位置后，哈勃证实了这个效应。他认为，光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果。哈勃的这个重大发现奠定了现代宇宙学的基础。
膨胀中宇宙的性质使许多人困惑不解。从地球的角度来看，好像遥远的星系都正飞快地远离我们而去。但是，这并不意味着地球是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨胀图象都是相同的。每个星系，或更准确地说每个星系团都彼此远离。我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀，而不是星系在空间中运动。
空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪，不过这却是1915 年爱因斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的概念。广义相对论认为，引力实际上是空间（严格地说是时空）弯曲或变形的一种表现。从某种意义上来说空间是有弹性的，可以按某种方式弯曲或伸长，具体情况取决于引力的排列。这种思想已为观测所充分证实。
膨胀空间的基本概念可通过一项简单的模拟来加以理解。想象在一条松紧带上缝有一排钮扣（图3.1）。现在假定从松紧带的两端把它拉长，结果所有的钮扣都彼此远离。不论我们选择从哪个钮扣来看，它邻侧的钮扣似乎都在远离，而且这种膨胀是处处相同的，不存在特殊的中心。当然，我们在画这排钮扣时，它有一个中心钮扣，但这与系统的膨胀方式毫不相干。只要把这条带钮扣的松紧带无限加长，或环成一个圆圈，这个中心点便不存在了。从任意一个钮扣来看，离它最近的钮扣以某种速度退行，再下一个钮扣则以2 倍速度退行，依次类推。在你看来，钮扣离得越远，它退行得越快。因此，这种膨胀意味着退行速率与距离成正比——这是一个极为重要的关
系。借助这个图象，我们现在就可想象出光波是如何在膨胀空间中或星系间传播的。当空间伸长时，光波波长也跟着变长，这就解释了宇宙学红移现象。哈勃发现，红移量与距离成正比，同这个简单的图象模拟结果完全一致。
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gbu-24a
2005-7-10 20:11:56
如果宇宙正在膨胀，它在过去必定比较小。哈勃的观测和后来进行的大量更好的观测提供了测量膨胀速度的方法。如果能倒放这部“宇宙影片”，我们会发现，所有的星系在遥远的过去是聚合在一起的。根据现在的膨胀速度，我们可推断这种聚合状态必定出现在好几十亿年前。不过，这个数字要说得准并不容易。原因有两个。首先，因受到各种误差的影响，很难测得精确。即使现代望远镜已大大扩展被研究星系的数目，但测定膨胀速度仍有上下一倍的不确定性，而且这还是个有激烈争议的问题。其次，宇宙膨胀的速度会随时间而发生变化，这一点与引力有关。引力作用于星系之间，实际上它作用于宇宙中一切形式的物质和能量之间。引力起刹车的作用，阻止星系往外跑，这使膨胀速度随时间逐渐变小。结论是宇宙在过去必定比现在要膨胀得快，如果就宇宙某个代表性区域画出一张尺度对应时间的关系图，我们便得到一条由图3·2 表示的普通曲线。从这幅图我们可以看出，宇宙从高度压缩的状态开始十分迅速地膨胀，随着时间的推移，物质密度会因体积的增大而逐渐减小。如果把这幅图一直追溯到宇宙创世时刻（图中原点），它意味着宇宙起源时尺度为零，而膨胀速度为无限大。换句话说，组成今天我们见到的所有星系的物质都是从一个点以极快速度爆炸而产生的！这是对所谓大爆炸理论的理想化描述。根据这一观点，今天我们所观测到的宇宙膨胀是原初爆炸的某种遗迹。
把这条曲线一直追溯到宇宙创世时刻是不是有道理呢？许多宇宙学家对此深信不疑。根据我在上一章中讨论过的，假定宇宙曾有过一个开端，那么大爆炸肯定是真实的。如果确实如此，则曲线的起点所标志的不仅仅是一次爆炸，记住这里图中所表示的爆炸是空间本身的爆炸，所以零体积并不意味着物质被压缩至无限大的密度，而是指空间被压缩到不复存在。换句话说，大爆炸是空间的起源，也是物质和能量的起源。最重要的是要认识到，事先并不存在使大爆炸得以发生的空虚的东西。现在把同样的基本思想用到时间上来。物质的无限大密度和无限压缩的空间也标志着时间的边界，其理由是，在引力的作用下，时间和空间都拉长了。这个效应也是爱因斯坦广义相对论的结论，并已得到实验验证。大爆炸时的条件意味着时间的无限弯曲，所以，时间（还有空间）的实际概念不能外推到大爆炸之前。看来我们不得不得出这样的结论，即大爆炸是一切——空间、时间、物质和能量的最初开端。如果要问（许多人就是这样问的）大爆炸以前发生了什么，或者问什么引起了大爆炸，这显然是没有意义的。不存在以前。在没有任何时间的地方，也没有任何常识中的因果关系。
如果大爆炸理论仅仅依托于宇宙膨胀这单一证据的话，那末很可能许多宇宙学家会抛弃它，因为这种宇宙起源理论有着奇特的内涵。然而，1965 年出现了另一个支持大爆炸理论的重要证据，即发现宇宙沐浴在一种热辐射之中。这种辐射以相同的强度从空间的各个方向射向地球。它的谱与达到某种热动平衡态的熔炉内的发光情况精确相符。这种辐射就是物理学家所熟知的“黑体”辐射。由于符合程度非常之好，因而不可能是一种巧合。由此我们得出这样的结论：宇宙曾一度处于平衡状态，处处都有相同的温度。对背景热辐射的测量表明，它的温度大约比绝对零度（约等于—273 度）高3 开，但这个温度随时间在缓慢变化。随着宇宙的膨胀，它按一个简单的公式冷却：半径增加一倍，温度下降一半。这是红移效应的另一个结果，它表明辐射波长随宇宙膨胀而变长。平均而言，低温辐射的波长比高温辐射来得长。还有，要是把这部影片往回放，宇宙在过去必然要热得多。大爆炸后30 万年左右，宇宙的温度约为4000 开，这足以使所有物质汽化，并创造出热平衡所必需的熔炉条件。宇宙背景热辐射至今仍然保持完美的黑体谱这一事实表明，从大爆炸后的30 万年以来，辐射几乎一直在平稳地传播着，没有受到任何干扰。
与大爆炸后已过去的150 亿年左右的历史比起来，30 万年是很早的时期。这意味背景热辐射是宇宙原初阶段的直接遗迹，可以把它看作为宇宙诞生时炽热光焰的余辉。宇宙背景辐射的特性不仅仅是有黑体谱的形式，而且在整个天空中它极其均匀。这种辐射的温度和强度在空间不同方向上的变化之小甚至不超过十万分之一，表明宇宙在大尺度上必定是极其均匀的，因为在某个空间区域或某个特殊方向上有任何系统性的物质成团，都会通过温度的变化反映出来。另一方面，我们知道宇宙不是完全均匀的。物质集聚成星系，星系常常形成星系团。这些星系团又进一步构成超星系团。在好几百万光年的尺度上，宇宙呈一种泡状结构，也就是在一些巨大的空洞周围包围着星系膜和星系纤维。
必定有某种原因使宇宙的大尺度成团性从非常均匀的原始状态成长起来。虽然科学家们提出过各种可能的物理机制，但最可能的解释也许是引力的缓慢吸引作用。如果大爆炸理论是正确的，我们可望找到隐匿在宇宙背景热辐射中初期成团过程的某些证据。1992 年，美国宇航局的COBE 卫星（宇宙背景探测卫星）揭示这种辐射并不是完全均匀的，在天空的不同区域，它们无疑有着强度的起伏或者说变化。这些极小的不规则性看来就是超级成团过程温和的开端。背景辐射可靠地保存了极早时期原初凝聚的痕迹，它所记录的内容证明了宇宙并不是始终以我们今天所见到的特定方式构成的。物质聚集成星系和恒星是一个演化过程，从几乎完全均匀的原初状态开始便长时间来一直在发生着。
最后还有一个证实炽热高密度宇宙起源理论的证据。只要知道今天热辐射的温度，很容易计算出宇宙诞生后约1 秒时各处的温度约为100 亿度，这对现有的原子核的合成来说也是太高了。那时，物质必定被撕裂成最基本的成分，形成一锅基本粒子汤，诸如质子、中子和电子。但是，随着这锅汤变冷，核反应就可能出现了。特别是，中子和质子就很容易成对聚合在一起。
接下来，这些粒子对便合成元素氦的核。计算表明，氦核的活动延续了大约3 分钟（这就是温伯格一书书名的由来），并大约有四分之一物质的质量聚合成氦。这个过程用完了所有可利用的中子。余下的核子——没有聚合的质子——自然就成了氢原子核。因此，这一理论预言宇宙应当由大约75％的氢和25％的氦组成，这与天文测量结果极为吻合。
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gbu-24a
2005-7-10 20:19:20
原初核反应也可能产生极少量比较重的元素，如锂和碳。重元素的总量不到宇宙物质的百分之一，但它们大多数并不是大爆炸的产物。相反，它们的形成要晚得多，而且是在恒星内部形成的，形成方式我将在第四章中进行讨论。
把宇宙膨胀、宇宙背景热辐射和化学元素的相对丰度综合在一起，便成为支持大爆炸理论的强有力的证据。不过，还存在许多悬而未决的问题。例如，现在宇宙为什么恰恰以这样的速度在膨胀，换句话说，大爆炸为什么如此之大？早期宇宙为什么如此均匀？空间各个方向和不同区域中的膨胀速度为什么这样类同？宇宙背景辐射探测卫星所发现的少量密度涨落对星系形成至关重要，而这又是如何起源的？
近年来为揭开这些奥秘，人们付出了巨大的努力，所采取的途径是把大爆炸基本理论与高能粒子物理的最新概念相结合。需要强调的是，这种“新宇宙学”所依赖的科学基础，其可靠性还远不及前面所讨论的话题。特别是，这些饶有趣味的过程所对应的粒子能量大大超过了迄今任何已直接观测到的结果，而涉及的宇宙时期所对应的是宇宙刚诞生后远小于一秒的极短暂时刻。那时的条件很可能异常极端，因而唯一合适的途径就是几乎完全只根据理论思想来建立数学模型。
这种新宇宙学的关键假设是，可能发生过一种称之为暴胀的过程。它的基本思想是，在第一秒刚开始的某一时刻，宇宙的尺度突然急剧猛增（暴胀）。为弄清楚这个假设带来些什么，再看一下图3·2。图上的曲线始终是向下弯的，这表明尽管任意给定的某个空间区域的尺度在增加，但这种增加的速率在减小。与此相反，暴胀意味着在一个很短的时期内，膨胀速度实际上在加快。图3·3（不按比例地）表示了这种情况。最初，膨胀是缓慢的，然后它加快速度，有一小段曲线笔直向上，最后曲线恢复它的正常走向。但是，图中表示的空间区域的尺度大大超过图3·2 曲线上同一位置的尺度（比这里画的大得多）。
为什么宇宙表现出这样诡异的行为？请记住，曲线向下弯曲是由于引力的吸引对膨胀起刹车作用的结果。向上弯曲可设想成一种反引力，或斥力，它造成宇宙的尺度增长得越来越快。虽然反引力似乎是一种异端邪说，但一些近代纯理论研究表明，在极早期宇宙由于极端温度和极端密度条件占主导地位，这种效应可能曾经出现过。
在讨论暴胀是怎么回事之前，先说明一下为什么能用暴胀说来解开前面列举的一些宇宙难题。首先，逐步升级的膨胀可以令人信服地说明大爆炸为什么如此之大。反引力效应是一种不稳定过程，即失控过程，这就是说宇宙尺度呈指数式增加。从数学上说，这意味着一个给定的空间区域在每个固定时间周期里尺度扩大一倍，我们称这种周期为1 个滴答。2 个滴答之后尺度增大到4 倍；3 个滴答，尺度增加到8 倍；10 个滴答，这个空间区域膨胀到1000 倍以上。因此，一个给定空间区域以逐步升级的速率如气球般地膨胀。
计算表明，暴胀纪元末的膨胀速度非常接近于测量值（我将在第六章中严格地解释它的含义）。暴胀造成的尺度急剧猛增也为宇宙均匀性提供了一种现成的解释机制。任何初始不规则性会被这种空间扩展平滑掉，这非常像一只汽球，当它胀大时其上的皱纹便会消失。同样，不同方向上早期膨胀速度的任何变化也很快被暴胀所淹没，因为暴胀在各个方向上都有相同的作用力。最后，宇宙背景辐射探测卫星所揭示的微小不规则性可用暴胀也许并不是处处都在同一瞬间结束这一事实得到解释（其理由后面马上就要讨论），所以某些区域比其他区域会暴胀得稍多一些。
现在来举一些数字。在最简单的暴胀理论中，暴胀力（反引力）变得异常之强，使得大约每隔100 亿亿亿亿分之一秒（10e-34 秒）宇宙尺度就扩大一倍。这几乎是个无限小的时间间隔，它就是前面所说的1 个滴答。仅仅100个滴答后，一个原子核大小的区域就会暴胀到大约1 光年的直径。这足以轻而易举地解决上面讨论的各种难题。
人们运用亚原子粒子物理理论发现了几种会导致暴胀行为的可能机制。所有这些机制都用到被称为量子真空的概念。为了理解什么是量子真空，首先必须知道量子物理的某些知识。量子理论是自发现诸如热和光之类电磁辐射性质的时候开始发展起来的。虽然电磁辐射以波的形式在空间中传播，然而有时它会表现出类似粒子的行为，特别是光的发射和吸收以一份份微小能量或量子的形式出现。电磁波情况下的量子称为光子。这种波和粒子性质的奇特混合有时称为波粒两象性。现已证明，这适用于原子尺度和亚原子尺度上的一切物理实体。因此，通常认为是粒子的东西，如电子，光子和中子，或者甚至整个原子，都会表现出类似于波的行为。
[ Last edited by gbu-24a on 2005-07-10 at 20:35 ]
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gbu-24a
2005-7-10 20:27:38
量子理论的基本原则是沃纳·海森伯（Werner Heisenberg）的不确定原理。根据这一原理，量子物体的所有属性都不具有完全确定的值。例如，一个光子或一个电子不可能同时具有确定的位置和确定的动量。对一确定的时刻，它也不可能有确定的能量。这里我们关心的是能量不确定性。
尽管在宏观世界里能量是守恒的（它既不能创造也不会消失），但是在亚原子量子领域里这个定律就失效了。能量可随时自发出现无法预言的变化。所考虑的时间间隔越短，这种量子随机涨落就越大。实际上，粒子可以从我们不知道的某个地方借来能量，只要这份能量马上归还就行。海森伯不确定原理的准确数学形式要求大宗的能量借贷必须很快归还，而少量的借贷则可保留较长的时间。
能量的不确定性会引出一些奇怪的效应，诸如光子那样的粒子可以突然从虚无中生成，不过过后它又马上再度消失，出现这种现象的概率便是上述奇怪效应中的一种。这种粒子依靠借来的能量，因而也是依靠借来的时间得以生存。我们看不到它们是因为它们只是闪电般地一现即没，但是又确实在原子系统的特性中留下它们曾存在过的痕迹，而这些痕迹是可以测量的。事实上，通常认为的真空确实充满着川流不息的一群群这类瞬时存在的粒子，它们不仅有光子，还有电子、质子和别的所有粒子。为了把这种瞬时粒子与我们比较熟悉的永久粒子相区别，前者称为“虚”粒子，而后者则称为“实”粒子。除瞬时性外，虚粒子与实粒子是完全相同的。实际上，如果用某种方法从外界补充足够的能量偿还海森伯能量借贷的话，那么虚粒子就有可能升格为实粒子，而且与其他同种实粒子没有任何区别。例如，一个虚电子在典型情况下只能存在大约10e-21 秒。在它短促的生存期中，虚电子并非静止不动，它在消失之前可以走过10e-11 厘米的距离（作为比较，原子的直径约为10e-8厘米）。如果这个虚电子在这么短的时间内得到能量（譬如说从电磁场），它就未必会消失，而是可以作为一个完全普通的电子继续存在。尽管看不见这些虚粒子，但它们实实在在存在于真空之中。这不仅因为真空包含一个潜在的永久性粒子库，还因为尽管它们以半真半虚的形式出现，这些幽灵般的量子实体依然会留下它们的活动痕迹，而且可以探测到。例如虚光子的效应之一是使原子的能级发生极少量的偏移。它们也能使电子磁矩发生同样细微的变化。这些细微然而却很重要的变化已用光谱技术精确地测量到。考虑到亚原子粒子一般不自由移动，但要受到各种与粒子种类有关的力的作用，对上述简单的量子真空图象要作些修正。这些力也在相应的虚粒子之间发生作用。因此，也许存在不止一种真空态。许多可能的“量子态”的存在是量子物理的普遍特征。最为熟知的是原子的各种能级。这里，一个绕原子核转动的电子可以有某些非常确定的能态，而这些能态又对应着确定的能量。最低的能级称为基态，它是稳定的。较高的能级称为激发态，它们是不稳定的。如果一个电子闯入一个较高的能态，它会向下跃迁返回基态，而跃迁的途径可以不止一种。这种激发态有很确定的“衰变”半衰期。
[ Last edited by gbu-24a on 2005-07-10 at 20:28 ]
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2005-7-10 20:34:42
类似的原理适用于真空。它可以有一种或多种激发态。这些激发态有各不相同的能量，不过它们的实际表象完全相同，即都是真空。最低的能态，也就是基态，有时称为“真”真空，以反映它是稳定态这一事实，大体上对应今天宇宙的真空区域。激发真空则称为“伪”真空态。
应当说，伪真空态仍然是一种纯理论的观念，其性质在很大程度上取决于所用的特定理论。但是，伪真空态很自然地出现在现今所有试图统一各种自然力的理论中。现在已确认的基本力看来有4 种：日常生活所熟悉的引力和电磁力，以及两种短程核力——弱力和强力。这份清单过去还要长些。例如，电和磁就曾被看作是截然不同的东西。
电与磁的统一过程开始于19 世纪初。当时，汉斯·克里斯琴·奥斯特（Hans
Christian Oersted）发现电流产生磁场，而迈克尔·法拉第（ MichaeI Faraday）则发现运动的磁铁会产生电流。很清楚，电与磁是有内在联系的。但是，直到19 世纪50 年代，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）才揭示了这种联系的细节。麦克斯韦通过一组数学方程精确描述这
些“电磁”现象，并预言电磁波的存在。不久，人们便意识到光也是这种波的一个例子，而且还应当存在其他形式的波，如射电波和x 射线。因此，表面上两种不同的自然力——电力和磁力——原来是单一电磁力的两种表现，它有着自身特有的一些现象。
最近几十年来，这种统一过程有了更深入的发展。根据现在的认识，电磁力和弱核力是有联系的，是单一“电弱”力的组成部分。许多物理学家相信，作为所谓大统一理论的一部分，将来也会证明强力与电弱力有联系。不仅如此，所有4 种力可能在某种足够深的层次上合成为单一的超力。企图统一电弱力和强力的一些大统一理论预言了一种最有前途的暴胀力。这些理论的一个关键特征是，伪真空态的能量大得惊人：典型情况是，1立方厘米的空间含有10e87 焦耳的能量！甚至一个原子的体积也会拥有10e62焦耳的能量。一个受激原子却只具有10e-18 焦耳左右的能量，两者相比，后者简直是微乎其微。因此，要激发真空，需要极大的能量，而在今天的宇宙
中我们不企望会找到这种状态。另一方面，一旦有了大爆炸的极端条件，这些数字就比较说得通了。
与伪真空联系在一起的巨大能量具肩强大的引力效应。这是因为能量具有质量，这一点爱因斯坦已经为我们指出了，所以它可以像正常物质一样受引力吸引。量子真空的巨大能量拥有巨大的吸引力：1 立方厘米伪真空的质量重达10e64 吨，这比今天整个可观测宇宙的质量（约10e48吨）还大！这种异常的引力对暴胀的产生毫无用处，后者要求某种反引力过程。但是，巨大的伪真空能量是和同等巨大的伪真空压力联系在一起的，而正是这种压力起着奇妙的作用。通常，我们并不把压力看作为引力源，但这种压力却是一种引力源。在一般物体中，物体压力的引力效应与物体质量的引力效应相比是微不足道的。例如，人体重量中只有不到十亿分之一是由地球内部压力产生的。不过，这种效应确实存在，而且在一个压力极其巨大的系统中，压力引力可以与质量引力相比拟。
在伪真空的情况下，既有巨大的能量，又有与之相仿的巨大压力，它们相互争夺对引力的支配权。但是，关键的性质在于压力是负的。伪真空起的作用不是排斥而是吸引。现在，负压力产生负引力效应，这就是所谓的反引力。因此，伪真空的引力作用归结为它的能量的巨大吸引效应和它的负压力的巨大排斥效应之间的竞争。最终压力获得了胜利，其净效应是产生一种非常大的排斥力，它可以在一刹那间把宇宙冲开。就是这种庞大的暴胀推力，使宇宙的尺度以极侠的速度即每10e-34 秒增大一倍。
就内禀性质来说，伪真空是不稳定的。像所有的激发量子态一样，它要发生衰变以回到基态——真真空。在几十个滴答之后，它就可能衰变。作为一种量子过程，它必然表现出上面讨论过的无法避免的不可预测性和随机涨落，这些性质都与海森伯不确定原理有关。这意味着衰变的发生就整个空间而言不是均匀的，而是会有涨落。某些理论家认为，这些涨落可能就是宇宙背景辐射探测卫星观测到的强度起伏的缘由。
在伪真空衰变后，宇宙重新恢复它正常的减速膨胀，由暴胀进入爆炸。封闭在伪真空中的能量得以释放，并以热的形式出现。由暴胀产生的巨大膨胀使宇宙冷却，直到温度十分接近绝对零度，然后暴胀的突然结束再次把宇宙加热到10e28 度的极高温度。今天，这个巨大的热库已几乎完全消失，残留下来的就是宇宙背景热辐射。作为真空能量释放的副产品，量子真空中的许多虚粒子获得其中的一部分能量，并转变成实粒子。这些粒子的遗骸留存至今，成为组成你、我、银河系和整个可观测宇宙的10e48 吨物质。
许多一流宇宙学家相信，暴胀宇宙的演化图象是正确的。如果是这样，那就意味着仅经过10e-32 秒之后，决定宇宙基本结构和物理成分的过程，便已告完成了。宇宙在暴胀后肯定经受过亚原子层次上的许多附加变化，使原初物质发展成粒子和原子，而正是这些粒子和原子组成了现代宇宙的原材料。这些进一步的附加变化一直是重点研究的课题。但是，大多数附加的物质过程仅在约最初三分钟后便告完成，这一点已经解释过了。
最初三分钟与最终结局有什么关联？正像射向靶子的子弹，其命运主要取决于枪瞄得是否准，宇宙的命运则完全取决于它的初始条件，两者完全一样。下面我们将会看到，宇宙从初始原点开始膨胀的方式，及大爆炸产物的性质，是怎样决定了宇宙的最终命运。宇宙的创生和终结是不可分割地相互交织在一起的。
kingrom
2005-7-11 08:34:35
亚原子量子领域能量不守恒？时光能否倒流？
gbu-24a
2005-7-11 10:11:35
QUOTE:
Originally posted by kingrom at 2005-07-11 08:34
亚原子量子领域能量不守恒？时光能否倒流？ 两者没有因果关系吧？
还有，现在的物理学两大基石相对论和量子力学都认为：咱们的宇宙不存在任何“携带信息的超光速运动”。所以各位在没有严格数学证明的情况下不要老纠缠什么时光倒流之类的事，那对于我们是没有意义的，就像你问“大爆炸之前是什么”一样是是没有任何意义的，也是不科学的。
gbu-24a
2005-7-11 19:18:24
第四章 恒星的末日
1987 年2 月23 日的夜晚，加拿大天文学家伊恩·谢尔顿（lan Shelton）正在智利安第斯山上的拉斯坎珀纳斯天文台工作。他的智利籍夜间助手在户外走了一会儿，漫不经心地望了望黑暗的夜空。由于熟悉星空，他很快注意到一件不寻常的事。在大麦哲伦云（LMC）的明亮云块边上有一颗星，它并不特别亮，大约和猎户腰带上其他星的亮度差不多。引起他注意的是以前那里并没有这颗星。
这位助手的发现引起了谢尔顿对这颗星的注意。在几小时内，谢尔顿和他的这位助手发现了一颗超新星的消息闪电般地传遍了整个世界。这是自1604 年开普勒（Kepler）记录到超新星以来第一颗肉眼可见的这类天体。一些国家的天文学家马上把他们的望远镜对准了大麦哲伦云。随后几个月里，人们对超新星1987A① 的变化作了最详尽的观测和记录。
在谢尔顿的轰动性发现前几小时，在完全不同的另一个地方——日本神冈地下深锌矿里记录到了又一件不寻常的事件。那个地方一些物理学家正在雄心勃勃地实施一项长期实验，他们的目的是要测试一切物质的基本成分——质子的极限稳定性。 70 年代发展起来的一些理论预言，质子也许并不绝对稳定，它们偶而会衰变成某种异乎寻常的放射性变种。如果预言正确，那么这种现象对宇宙的命运将具有深远的意义。我们在以后会看到这一点。
为测试质子衰变，日本实验学家在一个极大的容器中灌满了2000 吨纯度极高的水，容器周围放置了一些高灵敏度的质子探测器。这些探测器的用途是要记录可能是由单个衰变事件的高速产物所引起的闪烁次数。为减少宇宙射线的影响，实验放在地下进行，不然的话探测器所记录到的就全是虚假事件了。
1987 年2 月22 日，神冈探测器突然在11 秒内触发了不下11 次。在地球的另一侧，美国俄亥俄州一座盐矿里安装的一个类似的探测器也记录到了8 次事件。因为19 个质子的质量同时自行消失是不可思议的，这些事件必有另外的起因。物理学家很快找到了这个原因。他们的仪器所记录下的质子毁灭必定是由另一种更为普遍的过程造成的，这就是质子与中微子的碰撞。
中微子是亚原子粒子，在我的故事中扮演着关键角色，所以值得先对它作一番较为详尽的了解。1931 年，沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在考察称为β衰变的放射性过程中首次推测有中微子存在。在一次典型的β衰变事件中，一个中子衰变成一个质子和一个电子。相对来说电子的质量很轻，却携带可观的能量。问题是，每次衰变事件产生的电子似乎有着不同的能量。因为在任何情况下可利用的总能量必然相同，于是看上去似乎末能量可以与初能量不同。这是不可能的，因为能量守恒是物理学的基本定律，所以泡利认为失去的能量被一种看不见的粒子带走了。所有企图捕获这种粒子的努力都告失败，于是人们开始清楚地认识到，如果存在这种粒子，那么它们必定具有惊人的穿透力。因为任何带电粒子很容易被物质所捕获，所以泡利粒子一定是电中性的，并由此取名为中微子。
虽然当时没有人真正找到过中微子，理论学家却能推算出它的许多性质。β衰变事件常常会抛出一个带走近乎所有可用能量的电子，几乎什么能量也没留给中微于。这意味着中微子实际上能够以几乎为零能量的形式存在。按爱因斯坦的著名公式E＝mc^2，能量E 和质量m 是等效的，所以零能量意味着零质量。这表明中微子可能是没有质量的，即一种以光速运动的无质量粒子。
还有一个基本性质涉及到亚原子粒子的自旋方式。人们发现，中子、质子和电子总有自旋。这种自旋的大小有固定的值，而且事实上它对所有这3种粒子来说都是相同的。自旋是角动量的一种形式。与能量守恒定律一样，角动量守恒也是一条基本定律。一旦中子发生衰变，它的自旋必定保留在衰变产物中。自旋与能量不同，能量始终是相加的，而自旋则可加可减：如果两个粒于自旋方向相同，它们的自旋就相加；如果转动方向相反，它们的自旋便相减。无论哪种方式，只有一个电子和一个质子时，有关自旋的帐就总不能平衡。如果把它们的自旋相加，得出两倍的中子自旋，而两者相减时结果为零。只要中微子带有与其他粒子相同的单位自旋，便能巧妙地克服这一困难。
因此，尽管物理学家以前一直没有检测到中微子，却已经推断它必定是一种零电荷、与电子有相同自旋、没有或几乎没有质量的粒子，它与普通物质的相互作用极其微弱，因而在穿过物质时几乎不留下任何痕迹。简而言之，这是一种会旋转的幽灵。所以，在泡利预言中微子存在之后，过了大约20年时间才在实验室里最终得以证实也就毫不奇怪了。核反应堆中所产生的中微子数量极多，因此尽管它们极其难以捉摸，还是能偶尔地被检测到。
在神冈铅矿中中微子暴的到达与超新星1987A 出现决不是某种巧合，于是被科学家用来作为超新星理论的最重要验证。事实上，中微子暴正是天文学家在超新星事件中所预期出现的现象。
虽然“nova”①这个词在拉丁文中是“新”的意思，但超新星1987A 却不是新诞生的一颗星。事实上，它是一颗老年恒星走向死亡前的一次宏伟壮观的爆发。这颗超新星出现在大麦哲伦云中，那是一个17 万光年远的小星系。它离银河系相当近，因而成为我们银河系的一个卫星系。在南半球肉眼可以见到这个星系，但只表现为一个模糊的光斑，要看清其中一颗颗恒星则需要用高倍望远镜。就在谢尔顿的发现之后几个小时，澳大利亚天文学家已经能在组成大麦哲云的几十亿颗恒星中，证认出哪一颗恒星发生了爆发。这项成就是他们在仔细检查了这个天区的早期底片后完成的。这颗恒星原来是颗典型的B3 型蓝超巨星，直径约为太阳的40 倍，它甚至还有个名字：桑杜
里克（sanduleak）-69 202。
50 年代中期，弗莱德·霍伊尔（Fred Hoyle)，威廉·福勒（William Fowler）和伯比奇夫妇 （Geoffreg and Margreet Bur-bidge）首先研究了恒星爆发理论。为了理解一颗恒星为何会遭受这样一场浩劫，必须知道它内部活动的情况。我们最熟悉的恒星是太阳。与大多数恒星一样，太阳看上去是不变化的。然而事实并非如此。实际上太阳一直在与毁灭它的力作不停的斗争。所有恒星都是些靠引力维持在一起的气体球。如果唯一起作用的力只有引力，那么恒星会因自身巨大的重量很快向内坍缩，要不了几小时便会消亡。没有发生这种情况的原因在于向内的引力被恒星内部压缩气体产生的向外的巨大压力所平衡了。
气体压力与温度之间存在着一个简单的关系：一定体积的气体在受热时，压力以正比关系随温度而上升；反之，温度下降时压力也下降。恒星内部压力极大的原因在于温度高，达几百万开。这种热量是由核反应产生的。在恒星的大半生中，氢聚变成氦是为恒星提供能源的主要核反应，这种反应要求很高的温度以克服作用于核之间的电斥力。聚变能可以使恒星维持几十亿年，不过核燃料迟早会越来越少，从而使恒星反应堆开始萎缩。发生这种情况时压力支撑已岌岌可危，恒星在这场与引力的长期搏斗中开始溃退。从本质上说恒星已是在苟延残喘，只是通过调整它的核燃料储备来推迟引力坍缩的发生。但是，从恒星表面流出并进入大空深处的能量都在加速恒星的死亡。
gbu-24a
2005-7-11 19:22:56
依靠氢的燃烧估计太阳可以生存100 亿年左右。今天，太阳的年龄约为五十亿年，它已消耗了一半左右的核燃料储备。今天我们完全不必惊慌失措。
恒星消耗核燃料的速度极大程度依赖于它的质量。大质量恒星核燃料的消耗要比小质量恒星快得多，这是毫无疑问的，因为大质量星既大又亮，因而辐射掉的能量也就多。超额的重量把气体压得很密，温度又高，从而加快了核聚变的反应速度。例如，10 个太阳质量的恒星在1 千万年这么短的时间内就会把它的大部分氢消耗殆尽。
让我们来观察一下这样一颗大质量恒星的命运。大多数恒星最初主要由氢组成。氢“燃烧”使氢核（质子）聚变成氦核，后者由两个质子和两个中子组成。详细过程是很复杂的，不过在这儿无关紧要。氢“燃烧”是最为有效的核能源，但却不是唯一的核能源。如果核心温度足够高，氦核可以聚变成碳，并通过进一步的核聚变生成氧、氖以及其他一些元素。一颗大质量恒星可以产生必要的内部温度——可达10 亿开以上，从而使上面的一系列核反应得以进行，但随着每一种新元素的慢漫出现产能率下降。核燃料消耗得越来越快，恒星的组成开始逐月变化，然后逐日变化，最后每小时都在变化。它的内部就像一个洋葱，越往里走，每一层的化学元素以越来越疯狂的速度依次合成。从外部看来，恒星像气球那样膨胀，体积变得十分巨大，甚至比整个太阳系还大。这时天文学家称之为红超巨星。
这条核燃烧链终止于元素铁，因为铁有特别稳定的核结构。合成比铁更重元素的核聚变实际上要消耗能量而不是释放能量。因此，当恒星合成了一个铁核，它的末日便来临了。恒星中心区一旦不能再产生热能，引力必然会占尽上风。恒星摇摇晃晃地行走在灾变不稳定性的边缘，最后终究跌进它自己的引力深渊之中。
这就是恒星内部所发生的事，而且进行得很快，由于恒星的铁核不可能再通过核燃烧产生热量，因而也就无法支撑它自身的重量，它便在引力作用下剧烈压缩，甚至把原子都碾得粉碎。最后，恒星核区达到原子核的密度，这时一枚顶针的体积便可容纳近1 万亿吨的物质。在这一阶段，恒星的典型直径为200 公里，而核物质的坚硬性将引起恒星核区的反弹。由于引力的吸引作用极强，这种强力反弹所经历的时间只有几毫秒。当这场戏剧性事件在恒星中心区展现之际，外围各层恒星物质在一场突发性的灾变中朝核区坍缩。数以万亿吨计的物质以每秒几万公里的速度向内暴缩，与正在反弹着的比金刚石壁更为坚硬的致密恒星核区相遭遇，发生极为强烈的碰撞，同时穿过恒星向外发出巨大的激波。同激波一起产生的还有巨大的中微子脉冲。这些中微子是恒星在最后核嬗变期间从它的内区突然释放出来的。在这次核嬗变中，恒星内原子的电子和质子被紧紧地挤压在一起而形成中子，恒星核区实际上成了一个巨大的中子球。激波和中微子两者一起携带着巨额能量穿过恒星外部各层向外传递。
被压紧了的物质的密度非常之高，即使是极其微小的中微子也得费尽周折才能冲开一条出路。激波和中微子携带的能量有许多为恒星外层所吸收，结果导致恒星外层发生爆炸。这是一场核浩劫，其剧烈程度是无法想象的。在几天时间内恒星增亮至太阳光的100 亿倍，不过再经过几个星期后又渐渐暗淡下去。
在像银河系这样的典型星系中，平均每百年出现2 至3 颗超新星，历史上天文学家对此已有所记载，并深感惊讶。其中最著名的一个是由中国和阿拉伯观测家于1054 年在巨蟹座中发现的。今天，这颗已遭毁灭的恒星看上去就像一团很不规则的膨胀气体云，称为蟹状星云。
超新星1987A 爆发时，不可见的中微子闪光充斥了整个宇宙。这是一个强度极大的脉冲。虽然地球离爆发点有17 万光年之远，但每平方厘米仍能穿过1000 亿个中微子。十分幸运的是，地球上的居民丝毫没有察觉到自己曾在倾刻间被来自另一个星系的数以万亿计的粒子所穿透。不过，位于神冈和俄亥俄州两地的质子衰变探测器却拦截了其中19 个中微子。要是没有这种仪
器，中微子便会像1054 年事件那样在毫无察觉之中逝去。
虽然超新星会给有关恒星带来死亡，但是爆炸也会带来积极的一面。巨大能量的释放使恒星外层得以加热，这种加热非常有效，因而就有可能在短暂时期内发生进一步核聚变反应，不过这些核反应是吸收而不是释放能量。比铁更重的元素，如金、铅和铀，就是在最后而又最强的那个恒星熔炉中冶炼出来的。这些元素，连同核聚变早期阶段产生的较轻元素（如碳和氧）一起被抛入太空，并且在那儿同许许多多其他超新星的碎屑混合在一起。在数以十亿年计的漫长时光中这些重元素也许会被掺入下一代的恒星和行星中。要是没有这些元素的产生和传播，就不可能有地球一类行星。使生命得以出现的碳和氧，我们戴的金戒指，屋顶上的铅板以及核反应堆中的铀棒，它们之所以能在地球上存在，都得归功于一些恒星在濒临死亡时所发出的呻吟，而这些恒星甚至在太阳诞生之前就消匿不见、无影无踪了。一种令人感兴趣的观点认为，组成我们身体的原材料归根结底来自早就死亡了的恒星的核灰烬。超新星爆发不一定会彻底摧毁一颗恒星。虽然大多数物质随这场灾变而消散，触发这场事件的暴缩核还留在原地。但是，它的命运也是危如累卵。
如果核质量很小，譬如说只有一个太阳质量，那么它会形成一颗小城市那么大小的中子球。这颗“中子星”非常可能作极快的旋转，也许每秒钟转数会高达一千多圈，也就是说它的表面线速度达到光速的百分之十。这是因为暴缩极大地加快了原始恒星相对缓慢的自转速度，其原理与溜冰运动员收起双臂时会使自转加快的道理一样。天文学家已探测到许多这类快速自转的中子星。但是，随着天体能量的损失，自转很快会慢下来。例如，蟹状星云中央的中子星现在已减慢到每秒只转33 圈。
如果核的质量更大些，如几倍太阳质量，它就不可能以中子星的形式安居下来。引力实在太强了，即使中子物质（现在所知最结实的物质）也不能抵抗进一步的收缩。这时必然出现比超新星更可怕、更具灾变性的事件，恒星核继续坍缩，用不了1 毫秒，它就消失在一个黑洞之中，彻底湮没。因此，大质量星的命运是把自身撕成碎片作为遗迹留下一颗中子星，或一个黑洞，而外面则包围着抛射出来的弥漫气体。没有人知道已经有多少颗恒星以这种方式寿终正寝。但是，仅仅在银河系内可能就有数十亿颗这类恒星残骸。
gbu-24a
2005-7-11 19:26:02
我在童年时就为太阳也许会发生爆炸而提心吊胆。不过，太阳根本不可能会变成一颗超新星，这是因为它太小了。小质量恒星的命运与它们的大质量兄弟完全不同，远远没有后者那么剧烈。首先，吞食燃料的核过程进行得比较温和。事实上，处于恒星质量范围低端的一颗矮星可以持续发光1 万亿年。其次，一颗小质量恒星所能产生的内部温度是不够高的，不足以合成铁，因此不会出现一场灾变性的暴缩。
太阳是一颗典型的质量不大的恒星，它平稳地燃烧自身的氢燃料，并把核区转变成氦。目前，就有些核反应来说它的内核是不活泼的，因此内核无法提供足够高的热能以维持太阳不出现毁灭性的引力收缩。为了防止坍缩的发生，太阳必须使它的核区活动向外扩展，以寻找未经反应的氢。同时，氦核逐步收缩。因此，尽管在过去几十亿年中太阳内部发生了一些变化，其外貌却几乎没有任何的改变。它的体积将会膨胀，但表面温度却略有下降，颜色也会变得红一些。这种趋势一直要持续到太阳变成一颗红巨星，那时它的直径也许会增大500 倍。天文学家对红巨星是很熟悉的。夜间天空中几颗很著名的亮星，如毕宿五（金牛α）、参宿四（猎户α）和大角（牧夫α）都属于这一类。红巨星阶段标志着小质量恒星生命结束期的开始。
虽然红巨星相对来说温度比较低，但是它的直径很大，因而有着巨大的辐射表面，这意味着总光度更大了。随着热流量增强并袭击太阳系行星时，这些行星将面临一个艰难的时期，这一阶段大约要延续40 亿年。在这一阶段结束之前，地球早就变得不适应人类居住了，海洋因蒸发而干涸，大气也都已被剥离。随着太阳不断地膨胀变大，它首先会吞没水星，接着是金星，最后连地球也都落入熊熊燃烧着的太阳壳层之内。即使经历了彻底的焚烧和葬礼，我们的行星缩成一堆灰烬之后，它仍然固守着自己的运动轨道。红巨星太阳的体密度非常之低，接近于真空，因而对地球的运动几乎不会产生任何阻力。
我们能在宇宙中生存，这件事情的本身得归功于太阳一类恒星的极端稳定性。它们可以在几十亿年时间内稳定地燃烧而几乎没有发生任何变化，这段时间之长已足以使生命进化并繁荣起来。但是，随着红巨星阶段的到来，这种稳定性便不复存在。太阳一类恒星在其生涯中红巨星后的各个阶段情况复杂，活动激烈而又变化无常；相对而言它的行为和外貌会发生较快的变化。上了年纪的恒星可能会经历几百万年时间的脉动，或抛掉外层气体。恒星核区中的氦可能会点燃，生成碳、氮和氧，并提供能使恒星维持较长一段时间所必须的能量。一旦外壳被抛入太空，恒星便不再继续剥落，最后露出的是它的碳氧核。
在这一复杂活动时期以后，小质量和中等质量恒星不可避免地会向引力屈服，并开始收缩。这种收缩是不可逆转的，并一直要进行到恒星被压缩至小的行星那么大为止。恒星变成一个天文学家称之为白矮星的天体。因为白矮星非常之小，所以极其暗弱，尽管它们的表面温度实际上要比太阳表面温度还高得多，在地球上只有用望远镜才能看到它们。
白矮星就是太阳遥远未来的归宿。当太阳到达那一阶段时，它仍能在好几十亿年时间内维持炽热状态。它的绝大部份密度非常高，结果内部热量被有效地封闭起来，其绝热性能比我们现在已知道的最好的绝热体还要好。但是，热辐射在向寒冷的外部空间缓慢地泄漏，而由于内部核熔炉永久性地关闭，因而再也不能指望有任何燃料贮备来补充这种热辐射。我们曾经拥有过的太阳现在成了白矮星残骸，它将非常非常缓慢地冷却下来并变得越来越暗，直到进入它的最终变化形态。在这一过程中它逐渐变硬，成为一种刚性极好的晶体。最终，它会继续变暗直至完全消失，销声匿迹于黑暗的太空之中。
gbu-24a
2005-7-11 20:11:20
第五章 黑夜降临
银河系闪烁着1000 亿颗恒星的光芒，它们中的每一个又都必然面临末日的到来。在100 亿年后，我们现在所见到的大多数恒星将会从视线中消失，因缺乏燃料而死去，成为热力学第二定律的牺牲品。
但是，银河系将依然星光闪烁，因为即使一些恒星死亡了，新的恒星会生而代之。在银河系的旋臂，如太阳目前所在的旋臂中，气体云在引力作用下收缩、坍缩和碎裂，并触发一连串的恒星诞生。看一下著名的猎户座，就会发现这种恒星苗圃中的活动情况。猎户“佩剑”（在北半球看来它好像被挂在腰带的下方），中央有一团黑糊糊的绒毛状光斑。实际上它不是一颗恒星而是一团星云。在这个巨大的气体云中散布着一些明亮的年轻恒星。天文学家最近通过观测红外辐射（而不是可见光），已窥察到那儿处于最初形成阶段的恒星，它们仍然被气体和尘埃所包围，亮度也就降低了。
只要有足够的气体，在我们星系的旋臂中将会继续形成新的恒星。银河系气体一部分是还没有聚集成恒星的原初物质，而另一部分气体则是从老年恒星以超新星碎屑、星风、小爆发和其他一些过程的形式抛出来的。显然，这种物质的再循环过程是不可能永无止境的。当老年恒星死亡并坍缩成白矮星、中子星或黑洞时，便不能再对星际气体进行补充。原初物质会一点一点地并入新生的恒星，直到全部用完。当最后一代恒星走完它们的生命轮回而死亡时，星系便不可避免地开始变暗。这种变暗过程会拖得很长，要经过好几十亿年之后，最小最年轻的恒星才能结束它们的核燃烧，并收缩成白矮星。
但是，作为缓慢而痛苦挣扎的结局，永恒的黑暗终将来临。类似的命运等待着所有散布在广袤空间中的其他星系。现在，整个宇宙因核动力的丰富能量而显得绚丽多采，但它终将把这种宝贵的能源消耗殆尽。光辉时代总要永恒地结束，一去而不复返。但是，当宇宙之光熄灭的时候，宇宙的末日还不会来临，因为还存在另一种比核反应更强大的能源。引力，这种在原子层次上最弱的自然力，在天文尺度上可以变成占绝对优势的力。引力的效应也许是相对温和的，但是这种力却是百折不挠，永远存在。在几十亿年时间里，恒星借助核燃烧来维持自己，抵抗自身的重量。但是，每时每刻引力都在寻求机会，以图把恒星压得粉碎。
原子核中两质子间的引力仅仅是核力的10 万亿亿亿亿分之一（10e-37）。不过，引力具有累积的特性。恒星中每增加一个质子，总重量就会增加，最终引力会变得压倒一切。正是这种压到一切的力为我们提供了打开巨大能库的钥匙。
没有一种天体能比黑洞更生动地说明引力的威势了。这里，引力获得绝对的胜利，恒星被压得荡然无存，要说留下痕迹也只是使周围时空变得无限弯曲。关于黑洞，有一个绝妙动人的思想性实验。想象有一小球，譬如一个普通的台球，从远处落入黑洞。这个球钻入黑洞后便会从视野中消失，它就这样丢失了，再也找不回来。但是，它在黑洞的结构中会留下曾经存在过的一丝痕迹。作为黑洞，吞没这个球的结果是会变得稍稍大一点。计算表明，如果这个球从静止状态直接落向黑洞中心，黑洞增加的质量将等于小球原来的质量，任何能量或质量都没有逃逸出去。
现在来考虑另外一个实验，实验中的小球是慢慢地向黑洞下降，用一根带子系在小球上就能做到这一点。把这根带子穿过滑轮连到一个可使带子放松的滚筒上（图5·1，假设这根带子没有弹性，也没有重量。这只是一种习惯假定，以避免讨论的复杂化）。小球下降时会释放出能量，如通过与滚筒连在一起的发电机的转动便能做到这一点。小球越靠近黑洞表面，黑洞对小球施加的引力越强。因此小球的重量增加，而它对发电机所作的功便越来越大。简单的计算可以求出小球在到达黑洞表面之前总共可以把多少能量赋予发电机。在这种理想情况下，答案是相当于这个小球全部静止质量的能量。
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gbu-24a
2005-7-11 20:14:39
回想一下爱因斯坦的著名公式E=mc^2，它告诉我们质量m 所相当的能量为mC^2。利用黑洞，人们原则上可以收回这份能量。对一个重100 克的台球来说，这份能量意味着约10 亿千瓦时的电
功率（光速c 为每秒30 万公里）。作为比较，太阳通过核聚变燃烧100克燃料，所释放的能量还不到这个数字的百分之一。所以，原则上引力能的释放比作为恒星能源的热核聚变强100 倍以上。
当然，上述两种假设情况完全是不现实的。毫无疑问，天体在连续不断地落入黑洞，但决不是准确地沿径向下落，也绝对不会以最有效的汲取能量方式悬挂在滑轮上。因此，实际发射的静止质量能量介于零和百分之一百之间，具体来说究竟有多大比例则取决于物理环境。在过去的几十年里，天体物理学家进行了广泛的计算机模拟，并研究了其他一些数学模型，以图认识气体在旋入黑洞时的行为，并估计所释放能量的大小和形式。这里涉及的物理过程非常复杂，但可以肯定的是，从这种系统可源源不断地输出巨大的引力能。
一次观测等价于1000 次计算，天文学家一直在广泛地搜索可能正处于吞食物质过程中的黑洞。在天鹅座有一个看来很令人相信是黑洞的系统，那就是天鹅X-1，光学望远镜发现了一个巨大而又炽热的恒星，这类恒星因其颜色而称为蓝巨星。天文学家从它的光谱可以知道这颗蓝巨星不是一颗单星，因为它表现出节律摆动，说明附近有一个天体正通过引力作用周期性地牵制它。很明显，这颗星和另一个天体在密近轨道上互绕着转动。但是，光学望远镜怎么也看不到它的伴星；它要么是个黑洞，要么是颗很暗的致密星。它是个黑洞只是一种可能，而决不是证据。
进一步的线索来自对这个暗天体质量的估计。只要知道蓝巨星的质量，暗天体质量便可按牛顿定律导出。为了做到这一点，可利用恒星质量和它的颜色之间所存在的密切关系：大质量恒星往往温度很高，因而呈蓝色。计算表明，这颗不可见伴星的质量为几倍的太阳质量。很清楚，这不是一颗普通的暗小恒星，所以它必定是一个已经历了坍缩过程的大质量星，如白矮星、中子星或黑洞。但鉴于一些带根本性的物理学原因，这个大质量致密天体不可能是白矮星或中子星。问题在于，它有很强的引力场，而这种引力场会力图把这个天体挤压得粉碎。要避免完全坍缩成一个黑洞，必须内部存在某种压力，而且强度要足以同重力的挤压力相抗衡。但是，如果这个坍缩天体有几倍太阳质量，那么，就现在所知，没有一种力可抵挡这种能压碎一切的物质重量。事实上可以证明，如果恒星核区足够坚硬而不会被压碎，则核区物质中的声速必然会超过光速。因为这是违背相对论的，所以大多数物理学家和天文学家相信，在这种环境下黑洞的形成是必然的。
但是，决定性证据完全来自另一项观测。正如天鹅X-l 的名称所示，这个系统是一个强X 射线源，而X 射线可用特别设计的星载传感器来加以探测。根据天鹅X-1 的暗伴天体是一个黑洞的假设，理论模型令人信服地给出了它的X 射线流量。通过计算得出的黑洞引力场很强，因而能从蓝巨星中吸取物质。这些掠夺过来的气体在拉向黑洞并最终湮没的过程中，系统的轨道转动会使这些下落物质绕黑洞作涡旋式运动，并形成一个盘。这种盘不可能完全稳定，因为近中心的物质绕黑洞的转动比外边缘附近物质的转动快得多，而粘滞力则力图消除这种转动差异。结果是气体被加热，最后所达到的温度很高，因而不仅能发射可见光，而且能发射X 射线。这相当于损失轨道能量，从而使气体缓慢地旋入黑洞。
因此，关于天鹅X-1 中存在黑洞的证据，有一系列相当长的推理过程。它既涉及观测细节，也用到理论模型。这也正是近年来许多天文学研究的典型特点。任何单一的证据不能令人信服，但是把对于天鹅X-1 和许多其他类似系统的各种研究综合起来考虑，便有力地说明了黑洞存在的可能性。可以肯定地说，黑洞解释是最简洁也是最自然的。
对于更大黑洞的活动，可以预期会出现更为壮观的效应。现在看来，许多星系的核心很可能包含超大质量黑洞，其证据是在这些星系核中观测到恒星在很快地运动，并且明显趋向一个有很强引力作用的高度致密天体。对这种天体质量的估计表明，它们可能包含了相当于1000 万到10 亿个太阳的物质，这么大的质量使它们对任何漂泊到附近的物质有一种贪婪的吞食本能。
恒星、行星、气体和尘埃都可能为这类怪物所捕获。物质下落过程有时很可能非常激烈，以致会改变星系的整体结构。天文学家对各种各样活动星系核十分熟悉。有些星系的外貌确确实实呈现有爆发活动，许多活动星系是强射电源、强X 射线源，或其他能量形式的强源。最与众不同的是一类具有巨大气体喷流的活动星系，喷流可长达数千甚至几百万光年。某些这类天体的能量输出之大简直令人难以置信。所谓类星体（或者说类似恒星状的天体）是一些极其致密的天体，直径可能只有1 光年，所以它们看上去像是一些恒星，但所发出的辐射能却与数以千计的普通星系的辐射一样多。许多天文学家相信，这类受到严重扰乱的天体的中央发动机是一些巨大的旋转黑洞，它们正在摄取附近的物质。任何一颗恒星只要靠近黑洞，就很可能首先为黑洞的引力所撕裂，或者因与其他恒星发生碰撞而碎裂。这些被撕裂的物质可能形成一个热气体盘，它绕着黑洞旋转，并慢慢地向内沉落，这跟天鹅X-1 的情况一样，只是尺度要大得多。于是，随着物质的内沉，大量的引力能沿黑洞的自转轴方向释放出来，从而产生一对方向彼此相反的喷流。这种能量释放机制和喷流的形成可能是很复杂的，它们不仅涉及引力，还涉及电磁力、粘滞力和其他一些力的作用。这一领域一直是理论和观测工作的重点研究课题。
[ Last edited by gbu-24a on 2005-07-11 at 20:17 ]
gbu-24a
2005-7-11 20:21:09
银河系又会怎样呢？是不是我们的银河系也会以这种方式遭到破坏呢？
银河系中心位于人马座，离开我们有30000 光年之远。它的内区被大量的气体尘埃云所遮蔽，但是利用射电、X 射线、γ射线和红外辐射探测器，天文学家已经能够识辨出在那儿有一个高度致密而又蕴藏巨大能量的天体，称为人马A*。尽管人马A* 的尺度不会超过几十亿公里（按天文标准，这是很小的），但却是银河系中最强的射电源。它的位置与一个很强的红外源相重合，
而且同一个X 射线天体靠得很近。虽然情况十分复杂，但那里隐藏着一个黑洞的可能性看来正在增大，而且用它至少可以解释若干观测现象。不过这个黑洞的质量可能不大于1000 万倍太阳质量，正好处于超大质量范围的下限。没有任何证据表明它有其他某些星系核中所出现的那种大规模的能量发射和物质抛射的现象，但这也可能是由于这个黑洞目前正处于相对平静阶段，未来的某个阶段，也许在接收到更多的补充气体后，它可能会被激活。如果是这样的话，银河系核会变成激烈活动的星系核，虽然它不大可能会像我们所知道的其他许多星系那样遭到严重破坏。现在还不清楚这种激活对位于银河系旋臂上的恒星和行星会有什么样的影响。
只要附近还有物质供应给它，黑洞就会继续释放被吞食物质的质量能。随着几十亿年时光的流逝，越来越多的物质被黑洞所吞食，结果使黑洞变得更大，食欲更旺盛。这种魔鬼般的黑洞会通过其强大的引力场使偶尔靠近的天体快速地吞噬入其空腹之中，而且由于引力辐射，一种极其微弱但最终起决定性作用的引力过程，最终也会使在很远的轨道上绕其旋转的恒星难逃厄运。
在1915 年提出广义相对论后不久，爱因斯坦发现引力场有一个引人注目的特性，即这些引力场方程预言存在具有波动性质的引力振荡，它们的传播速度就是真空中的光速。这种引力辐射使人想起电磁辐射，如光波和无线电波。不过，尽管引力辐射可以携带很多能量，但在物质作用的程度上它不同于电磁辐射。无线电波很容易被像金属丝网那样的小巧结构所吸收，而引力波的作用则非常微弱，它可以畅通无阻地穿过地球而几乎毫无损耗。如果能做成一个引力激光器则需1 万亿千瓦的射束才能煮沸一壶水，效率只相当于1000 瓦的电热丝。引力辐射是相当微弱的，究其原因在于事实上引力是自然界内各种已知力中最最微弱的一种。例如，原子中引力与电力之比约为10e-40。我们之所以会注意到引力的唯一原因完全在于它的累积效应。因此，它对行星这种较大天体起着决定性的作用。引力波的效应是极其微弱的，它们的产物也毫不显眼。原则上说，只要质量受到扰动，就会产生引力波。例如，地球绕太阳的运动会发射出一系列连续的引力波并进入银河系，但输出的总功率仅有1 毫瓦！这份能量损耗会造成地球轨道的减小，但减小的速率慢得出奇：每10 年大约减小1000 万亿分之一厘米。
但是，对于以接近光速运动的大质量天体来说，情况便截然不同了。有两种现象可能导致重要的引力辐射效应。一种是突发性的激烈活动事件，如超新星爆发，或恒星坍缩形成黑洞。这类事件的结果是发射短暂的脉冲式引力辐射，也许只能持续几个微秒，但通常会携带1044 焦耳能量（与太阳所输出的热量相比，后者约为每秒3×10e26 焦耳）。另一种是大质量天体彼此作高速互绕转动时的那种比较慢也比较规则的运动。例如，一对密近双星会产生大流量的引力辐射。如果其中的两颗恒星是坍缩天体，如中子星或黑洞，那么这一过程便特别有效。天鹰座里有两颗作互绕轨道运动的中子星，相距仅为几百万公里。它们的引力场极强，每转动一周所需要的时间还不到8 个小时，因此这两颗恒星的运动速度同光速相比也是相当可观的。这种非同寻常的奔跑极大地放大了引力波的发射率，结果，轨道的每年减小量便可以测量出来（运动周期约改变75 微秒）。随着这两颗恒星向内盘旋接近，发射率将逐步上升，这就注定它们在3 亿年后会彼此相撞。
天文学家估计，每个星系大约每10 万年发生一次这类双星系统的合并事件。这种天体密度非常大，引力场极强。在恒星碰撞前的最后时刻，它们将以每秒几千圈的速度互绕转动，同时引力波的频率则急剧升高，并发出特有的吱吱声。爱因斯坦的公式预言，引力的输出功率在这最后阶段中将是异常惊人的，而且轨道会迅速坍缩。恒星的形状会因彼此间的引力牵拉而严重变形，因而在接触前的瞬刻，它们看上去就像一根急剧旋转的巨型雪前。最后的合并将是乱糟糟的，两颗恒星并合成一个复杂而疯狂跳动的团块，它会发出大量的引力辐射，到它安定下来之时已大致成为球形。这个球就像一个怪铃，以一种特殊的振动方式摇晃、颤动。这种振荡也会产生引力辐射，这样就会进一步消耗天体的能量，直至它最后安宁下来，变成毫无生气的天体。
gbu-24a
2005-7-11 20:26:05
虽然引力辐射过程相对来说是缓慢的，但很可能对宇宙的结构具有深远的长期效应。因此，科学家们力图通过观测来证实他们关于引力辐射的思想，而这一点是极为重要的。对天鹰座中那个双中子星系统的研究表明，它们的轨道正在减小，而减小的速率恰好与爱因斯坦理论的预言相一致。因此，这个系统提供了发射引力辐射的直接证据。但是，更具有决定性意义的试验要求在地球上的实验室里探测到这种辐射。许多研究小组已建造一些设备用以记录引力波爆发那稍纵即逝的信息，但到目前为止所有这类装置都不够灵敏，无法探测到引力辐射；很可能我们只有在新一代探测器诞生之后才能完全证实引力波的存在。
两颗中子星的合并可能会产生一颗更大的中子星或者一个黑洞。一颗中子星和一个黑洞的合并，或两个黑洞的合并，则必定产生一个黑洞。这一过程同样会伴有引力波能量损失，接着是复杂的振颤或运动，而这种运动会因引力波能的损失而慢慢地衰减下去。
探讨两个黑洞合并时所释放的引力能的理论极限是很有意义的。在70年代早期，罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、霍金、勃朗顿·卡特（Brandon Carter）、雷莫·鲁菲尼（Remo Ruffini）、拉里·斯玛尔（Larry Smarr）和其他一些人已经完成了有关这些过程的理论工作。如果两个黑洞有相同的质量，并且无旋转，那么能释放出大约29％的总静止质量能。如果以某种方式对这两个黑洞加以巧妙的处理，那么这些能量不一定完全以引力辐射的形式出现。但是，对于自然并合体，大部分能量就应当以这种极其难以察觉的形式释放出来。如果黑洞以物理定律所允许的最大速度（粗略地说就是光速）在自转，而且以反向旋转的方式沿着它们的自旋轴并合，那么就会有50％的质量能发射出来。
即使有这么大的比例也还不是理论极限。可能存在带电荷的黑洞。一个带电黑洞既有电场又有引力场，两者都可以储存能量。如果一个带正电的黑洞遇上另一个带负电的黑洞，就会发生“放电”，在这一过程中所释放的不仅有引力能，而且还有电磁能。
事实上，给定尺度（或质量）的黑洞只能携带不超过某个极大值的电荷量，因此这种放电存在某个极限。对无自转黑洞，这个极大值可由如下的考虑来决定。设想有两个带有等量电荷的相同黑洞，黑洞的引力场会在它们之间产生吸力，而电场则产生斥力（类似于电荷相斥）。当荷质比达到某个临界值时，这两种相反的力恰好平衡，于是在两个黑洞之间便不存在净力。正是这个条件决定了黑洞可以包含的极限电荷量。你也许不知道，如果设法增加黑洞的电荷使之超过这个极大值，将会发生什么情况。要做到这一点的一种途径是强迫更多的电荷注入黑洞。这种做法会起到增加电荷的作用，但为克服电斥力做功就要施加能量，这份能便传递给了黑洞。因为质能相当（记住E=mc^2），黑洞的质量就增大，体积也随之变大。简单的计算表明，在这一过程中质量的增加要比电荷增加得更多，结果荷质比实际上减少，而企图超过这个极限的努力终告失败。
带电黑洞的电场对黑洞的总质量是有贡献的。对携带最大允许电量的黑洞来说，电场代表了一半质量。如果两个无自转黑洞都带有极大电荷，但电荷的符号相反，那么它们彼此间存在两种吸引力：引力吸引和电磁吸引。当它们并合时，电荷中和，而电能就能被提取出来。理论上说，它能达到这种系统总质量能的50％。
如果两个黑洞都在自转，并带有极大相反电荷，那么所提取的能量便达到绝对上限。这时，总质量能的三分之二可以释放出来，这个比例是很高的。当然，这种数值只有理论上的意义，因为实际上黑洞不可能携带大量的电荷，两个黑洞也不可能以这种最佳方式并合，除非有一个技术发达的社会能对它们实施巧妙的人为控制。然而，即使两个黑洞的低效率合并也可能把这两个天体总质量能的可观部分几乎在瞬息之间释放出来。在它好几十亿年的生涯中，恒星依靠核燃烧大约释发了百分之一的质量，相比之下可谓微不足道。这些引力过程的意义在于，在恒星的核燃烧结束后，它的死亡之旅仍是漫漫无期的。作为一个坍缩后的残骸，它还有潜力通过引力释放能量，而且远远超过当它还是个灼热气体球时由热核过程所放出的能量。
当这个事实大约在20 年前被人们认识之时，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler，他是最早提出“黑洞”这个词的人）设想有那么一个文明世界，由于它们对能量的需求不断增加，结果便放弃了自己的恒星，并在一个自转黑洞周围安居下来。每天，这个社会的废物被装上载重卡车，并通过一条经仔细计算过的弹道送往那个黑洞。在接近黑洞时，卡车上的废物就卸下来倒入黑洞。通过这种方式，废物便一劳永逸地处理掉了。下落的废物沿着与黑洞自转方向相反的路径飞行，它会影响黑洞的自转，使自转速率稍稍减慢。于是，黑洞的自转能就释放出来，而文明世界便可以利用它为自己的工业提供能源。因此，这个过程具有彻底销毁一切废物并把它们完全转变成能量两大优点！文明世界可以在需要的时候通过这种方式，从死亡之星获取能量，而且能量的供应
要比恒星在核燃烧阶段所发出的大得多。
虽然利用黑洞能是一种科学幻想，但是，许多物质将会在黑洞内自然地寿终正寝。它们可以是坍缩恒星的一部分，也可以是偶然相遇而被吞食的碎片。凡是在我作黑洞讲演的时候，人们老是要问进入黑洞的东西会发生什么情况，简单的答复是：我们不知道。老实说，我们对黑洞的认识几乎完全基于理论考虑和数学模型。事实上，按黑洞的定义，即使我们非常靠近黑洞来进行观测（这是做不到的），我们不能从外部世界观测到黑洞的内部，也永远不可能知道它里面发生什么情况。然而，首先用来预言黑洞存在的相对论，也可以用来预言宇航员在掉进黑洞时的经历。下面便是这种理论推测的大致情况。
黑洞的表面实际上只是一种数学图象，那里没有真正的一层“膜”，而只是一无所有的空间。那位下落中的宇航员在进入黑洞时，看不到任何在物理学意义上特别与众不同的情景。但是，这个表面确实有着某种引人注目的物理学含义。黑洞内部的引力非常强，能俘获光，也就是把向外跑的光子重新拉回来，这意味着光无法逃离黑洞。黑洞之所以从外面看上去是黑的就是这个原因。因为没有一种物体或者信息可以比光跑得更快，所以任何东西一旦进入黑洞就没法逃出去。黑洞内所发生的事件对外部观测者来说永远是个秘密。因此，黑洞的表面被称作“事件视界”，因为它把从远处可以目睹的外部事件与不可目睹的内部事件分隔开来了。但是，这个效应仅是事情的一个方面。当宇航员进入事件视界以内的区域，他仍然可以看到外部世界，尽管在外面的任何人永远也不能再见到他。
