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第9章 人类需要破解宇宙天书(8)

随着黑洞发射粒子,它的质量和尺度就稳恒地减小。这使得更多粒子更容易穿透出来,这样发射就以不断增加的速度继续下去,直到黑洞最终把自己发射殆尽。从长远地看,宇宙中的每个黑洞都将以这个方法蒸发掉。然而对于大的黑洞它需要的时间实在是太长了,具有太阳质量的黑洞会存活(1066)年左右。另一方面,太初黑洞应在大爆炸迄今的一百亿年间几乎完全蒸发光,正如我们所知的,大爆炸是宇宙的起始。这种黑洞现在应发射出能量大约为一亿电子伏的硬伽玛射线。

当·佩奇和霍金在SAS-2卫星测量伽玛辐射宇宙背景的基础上计算出,宇宙中的太初黑洞的平均密度必须小于大约每立方光年两百颗。那时当·佩奇是在加州理工学院。如果太初黑洞集中于星系的“晕”中,它在银河系中的局部密度可以比这个数目高一百万倍,而不是在整个宇宙中均匀地分布。晕是每个星系都要嵌在其中的稀薄的快速运动恒星的薄云。这意味着最邻近地球的太初黑洞可能至少在冥王星那么远。

黑洞蒸发的最后阶段异常快速,以至于它会在一次极其猛烈的爆发中终结。这个爆发的激烈程度取决于有多少不同种类的基本粒子而定。如果正如现在广为相信的,所有粒子都是由也许六种不同的夸克构成,则最终的爆炸会具有和大约1000万颗百万吨氢弹相等的能量。另一方面,日内瓦欧洲核子中心的H·哈格登提出了另一种理论。他论断道,存在质量越来越大的无限数目的基本粒子,随着黑洞变得越小越热,它就会发射出越来越多不同种类的粒子,也许会产生比按照夸克假定计算的能量大10万倍的爆炸。因此,观测黑洞爆发可为基本粒子物理提供非常重要的信息,这也许是用任何其他方式不能得到的信息。

一次黑洞爆发会倾注出大量的高能伽玛射线。虽然可以用卫星或者气球上的伽玛射线探测器观测它们,但要送上一台足够大的探测器,使之有极大的机会拦截到来自于一次爆炸的不少数量的伽玛射线光子,是很困难的。使用航天飞机在轨道上建立一个大的伽玛射线探测器是一种可能性。把地球的上层大气当成一台探测器是另外一种更容易也更便宜的做法。穿透到大气的高能伽玛射线会产生电子正电子爆,它们在大气中旅行的初速度比大气中的光速还快(光由于和空气分子相互作用而减慢下来。)。这样,电子和正电子将建立起一种音爆,或者是电磁场中的冲击波。这种冲击波叫作切伦科夫辐射,可以可见光闪烁的形式从地面上观测到它。

都柏林大学学院的奈尔·A·波特和特勒伏·C·威克斯的一个初步实验指出,如果黑洞按照哈格登理论预言的方式爆炸,则在银河系的我们区域中只有少于每世纪每立方光年两次的黑洞爆发。这表明太初黑洞的密度小于每立方光年一亿颗。我们有可能极大地提高这类观测的灵敏度。即便它们没有得到太初黑洞的任何肯定的证据,它们仍然是非常有价值的。观测结果在这种黑洞的密度上设下一个低的高限,表明早期宇宙必须是光滑和安宁的。

大爆炸和黑洞爆炸相类似,只不过是在一个极大的尺度范围内而已。所以人们希望,理解黑洞如何创生粒子将导致类似地理解大爆炸如何创生宇宙中的万物。在一颗黑洞中,物质坍缩并且永远地损失掉,但是新物质在该处创生。所以事情也许是这样的,存在宇宙更早的一个相,物质在大爆炸处坍缩并且重新创生出来。

如果坍缩并形成黑洞的物质具有净电荷,则产生的黑洞将携带同样的电荷。这意味着该黑洞喜欢吸引虚粒子反粒子对中带相反电荷的那个成员,而排斥带相同电荷的成员。因此,黑洞优先的地发射和它同性的带电粒子,并且从而迅速地丧失其电荷。类似地,如果坍缩物质具有净角动量,产生的黑洞便是旋转的,并且优先地发射携带走它角动量的粒子。由于坍缩物质的电荷、角动量和质量和长程场相耦合:在电荷的情形和电磁场耦合,在角动量和质量的情形和引力场耦合,所以黑洞“记住”了这些参数,而“忘记”了其他的一切。

普林斯顿大学的罗伯特·H·狄克和莫斯科国立大学的弗拉基米尔·布拉津斯基进行的实验指出,不存在和命名为重子数的量子性质相关的长程场(重子是包括质子和中子在内的粒子族。)。因此由一群重子坍缩形成的黑洞会忘掉它的重子数,并且发射出等量的重子和反重子。所以,当黑洞消失时,它就违反了粒子物理的最珍贵定律之一,重子守恒定律。

虽然为了和柏肯斯坦关于黑洞具有有限熵的假设协调,黑洞必须以热的方式辐射,但是粒子产生的仔细量子力学计算引起带有热谱的发射,初看起来似乎完全是一桩奇迹。这可以解释为,发射的粒子从黑洞的一个外界观测者除了它的质量、角动量和电荷之外对之毫无所知的区域穿透出来。这意味着具有相同能量、角动量和电荷的发射粒子的所有组合或形态都是同等可能的。的确,黑洞可能发射出一台电视机或者十卷皮面包装的布鲁斯特(法国小说家)全集,但是对应于这些古怪可能性的粒子形态的数目极端接近于零。迄今最大数目的形态是对应于几乎具有热谱的发射。

黑洞发射具有超越通常和量子力学相关的额具有不确定性或不可预言性。在经典力学中人们既可以预言粒子位置,又可以预言粒子速度的测量结果。量子力学的不确定性原理讲,只能预言这些测量中的一个,观察者能预言要么位置要么速度的测量结果,而不能同时预言两者。或者他能预言位置和速度的一个组合的测量结果。这样,观察者作明确预言的能力实际上被减半了。有了黑洞情形就变得更坏。由于被黑洞发射出的粒子来自于观察者只有非常有限知识的区域,他不能明确预言粒子的位置或者速度或者两者的任何组合,他所能预言的一切是某些粒子被发射的概率。所以这样看来,爱因斯坦在说“上帝不玩弄骰子”时,他是双重地错了。考虑到从黑洞发射粒子,似乎暗示着上帝不仅玩弄骰子,而且有时会把它们扔到看不见的地方去。

3.现代科学的惊人答案:最大的黑洞是宇宙

可能的最大黑洞是什么?答案是现代科学中的一个最惊人的设想:宇宙本身。

要弄懂为什么这个答案并非妄言,必须介绍一些宇宙学的基本知识。现代宇宙学家已经超越了人类为求得一个可认识和无疑虑的宇宙图像所编过的神话和所作过的玄想,他们有三个观测事实,在对之作了仔细的物理解释后,就能据以反推出宇宙的过去历史。星系的运动,轻元素(指氢、氘和氦,它们不是在恒生中产生的)的相对丰度,以及均匀的宇宙辐射,全都表明宇宙在自极高密、极高温的大爆炸状态以来的150亿年中一直在膨胀。

观测已经提供了对宇宙历史的透视,然而只有理论才能猜测宇宙的未来。由于决定大尺度物理结构的是引力,爱因斯坦广义相对论给出了与过去的状态相符的宇宙学模型。关于将来,则有两个可能的解答:一个膨胀再收缩的宇宙,在时间上和空间上都是有限的;或者是一个无限地膨胀的宇宙(与某些宇宙学家有的流行观念相反,宇宙在时间上的无限并不意味着在空间上的无限)。

宇宙中物质的平均密度决定着宇宙未来的命运。如果密度小于临界值10—29克/立方厘米(相当于每立方米的空间里有六个氢原子),则宇宙的引力场不足以束缚住物质,宇宙将继续无休止地膨胀。相反,如果平均密度大于临界值,则引力终将使宇宙停止膨胀并重新收缩,在1000亿年内宇宙将坍缩成一种与大爆炸相反的状态,不妨叫作大挤压。

无论宇宙的最后命运如何(宇宙密度的实际测量值稍小于临界值,但还不能由此得出“开放”宇宙的结论,因为并非所有的物质都已被观测到),黑洞都将是其中的主角。普林斯顿高级学术研究所的弗里曼·戴森和伦敦大学的雅玛尔·伊思兰已经研究了持续膨胀的宇宙的长时期演化(见伊思兰的著作《宇宙的最终命运》,剑桥大学出版社1983年)。虽然宇宙已经存在了150亿年,这种长时间的物理过程尚未开始,但迟早将会来临。在大约1027年里,所有已熄灭的恒星都将聚集在星系中心,成为1011M质量的大黑洞。星系团中星系轨道运动的能量也将由于引力辐射而消散,在大约1031年里星系都将落到团的中心,并聚合成1015M质量的超巨型黑洞。在更大得多的时间尺度上,反过程即黑洞的量子蒸发将会发生。恒星级黑洞将在1067年里蒸发,星系级巨型黑洞需要1097年,超巨型黑洞则需要10106年。作为能量和熵的最后蓄积,黑洞将变得与白洞类似,把自己的物质散布到膨胀的宇宙中。

戴森最后问自己,面对宇宙不可避免地变得稀薄和冷却这种不利的条件,高级文明能否通过从黑洞中提取能量来无限期地维持生存?这个设想使人回忆起一些典型的科学幻想故事,而与现代粒子物理的一个预测相抵触,那就是,质子并不是永存的,而是会在大约1032年后衰变(现有实验并未证实关于质子寿命的这个预测)。那么,远在黑洞开始释放其能量之前,所有的物理结构和生命组织就都已消亡。

现在来考查一下时间上和空间上都有限的膨胀—收缩宇宙的后果。使宇宙成为一个闭合系统所需的最低密度是一个质量为1023M、半径为400亿光年的黑洞的平均密度(黑洞的平均密度是随其半径的增大而减小的),而对我们的宇宙而言,光所走过的最大距离不超过150亿光年。这就是说宇宙是在其史瓦西半径之内,能由此得出结论说我们是生活在一个极其巨大的黑洞内部吗?

更深入地作一番考虑,就会发现有一系列的理论证据支持黑洞宇宙的假设。广义相对论证明,如果恒星类似于一团压强为零、密度均匀的球状“云”,即类似于充满于宇宙的星系气体,则云的内部几何与闭合宇宙的几何完全一致,而且内部和外部几何在云的表面完好地相连接。

另一方面,闭合的膨胀一收缩宇宙也有一个视界,即这样一个时空边界,在其之外的事件是我们所不可联络的,因为那些事件的光信号不能到达我们这里。这个宇宙学视界(不要与粒子视界相混淆,后者是指在一个给定时刻宇宙中可观测部分的空间边界)是与将来奇点(即大挤压)相联系着,从内部看,它就像黑洞视界从外部看时规定着黑洞的边界一样(事实上闭合宇宙的最大半径与它在外部观测者眼中的史瓦西半径精确相等)。

因此可以想象,如果宇宙是闭合的,就必定有一个外部世界,我们的宇宙是其中的一个隐藏在黑洞内的区域。显然,如果这个(仍令人迷惑不解的)假设能得到证明,宇宙学将展开一个全新的领域。

例如,科学家们首先想知道的是,我们的宇宙是怎样成为一个黑洞的。它是外部宇宙中的一个原初黑洞呢,还是由一个1023M质量的“超级恒星”的引力坍缩而形成的呢?这样看来,外部宇宙就不是真空,那里的星系(或许是由我们完全不知道的物质组成的)可以整个地掉进我们的宇宙。

宇宙作为一个黑洞的最吸引人的结果将是黑洞内物质完全出乎意料的行为。广义相对论指出,恒星在史瓦西半径以内的引力收缩必定以中心奇点为终结。但是,广义相对论是不完整的。由于没有量子引力理论,我们必须承认对支配黑洞内物质行为的定律实际上一无所知。膨胀—收缩的黑洞宇宙似乎暗示着,黑洞内的引力坍缩可以在奇点之前停止。物质的某种最后阻抗,例如一种只在很小距离上才显示出来的强排斥作用,可能造成坍缩恒星的物质“反弹”,类似地,整个宇宙就在极密状态和充满史瓦西球内部的膨胀状态之间无限地振荡。

黑洞宇宙理论最后提出的问题是关于我们宇宙的唯一性。我们的封闭宇宙相对于外部宇宙是处于什么地位呢?也许可以有一个套一个的宇宙等级,也就是黑洞之中又有黑洞。最新的物理理论允许这种“气泡宇宙”的存在。

这些有点过度的猜测更像是幻想而不是真实。它们在学术机构的研究工作中并不怎么受重视,因为它们实在延伸得超出我们的实际知识太远,而对科学的真正进展又没有什么帮助。或许有一天我们能拥有赖以回答这些问题的理论工具,但是我们决不要欺骗自己:所有这些理论都建立在想象之上,而现实常常与想象大不相同。为了抓住真实世界的哪怕是一个碎片,我们必须用自己的脑和手工作,做千百次的测量,而不是依靠那些过于优美的主意和理论。

但是黑洞的出现无疑标志着一场革命的开始,这是变化着的思想和理论世界的革命,也是恒星、星系和宇宙本身的命运正在缓慢地展示出来的真实世界的革命。但是所有的革命都有隐藏的危险。作为毛里斯·梅特林克(Maurice Maeterlink)一句格言的释义,黑洞一词仍然常常只是掩盖我们无知的一件豪华伪装。

4.作为时间隧道的黑洞

我们已看到:黑洞畸变了其附近的空间路径。按照爱因斯坦的格言,空间与时间是混杂的,因此,在这种物体附近,时间也是被弯曲了的。据此,一些研究工作者曾建立用黑洞作为时间机器。

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