·第8章·
大爆炸煤蹭、黑洞和宇宙的演化
在第一類弗里德曼宇宙模型中光坝，第四維朗涩，時(shí)間——正如空間一樣——在范圍上是有限的忽孽。它正如一根具有兩個(gè)端點(diǎn)或邊界的線。因此時(shí)間具有終結(jié)，而且它也有一個(gè)開(kāi)端兄一。事實(shí)上厘线，在宇宙具有我們觀測(cè)到的物質(zhì)總量的情形下，由愛(ài)因斯坦方程得出的所有解中出革，都有一個(gè)非常重要的特征：在過(guò)去的某一時(shí)刻（大約137億年以前）相鄰星系之間的距離必須為零造壮。換言之，整個(gè)宇宙被擠壓在零尺度的單獨(dú)的一點(diǎn)骂束，就像一個(gè)半徑為零的球耳璧。那時(shí)，宇宙的密度和時(shí)空曲率都為無(wú)限大展箱。它是我們稱做大爆炸的時(shí)刻旨枯。
我們所有的宇宙學(xué)理論都是在時(shí)空是光滑和幾乎平坦的假設(shè)這個(gè)基礎(chǔ)上表述的。這就意味著混驰，我們所有的理論都在大爆炸處崩潰了：把具有無(wú)限曲率的時(shí)空叫做幾乎平坦的攀隔，肯定是荒謬的！因?yàn)榭深A(yù)見(jiàn)性在大爆炸處失效了栖榨，因此即便在大爆炸之前存在事件昆汹，我們也不能用它們來(lái)確定以后會(huì)發(fā)生什么。
相應(yīng)地治泥，事實(shí)也正是如此筹煮，如果我們只知道大爆炸之后發(fā)生的事，我們就不能確定在它之前發(fā)生了什么居夹。就我們而言败潦，在大爆炸之前的事件沒(méi)有后果，所以不應(yīng)成為宇宙科學(xué)模型的一部分准脂。因此劫扒，我們應(yīng)該從模型中把它們割除，并且聲稱大爆炸是時(shí)間的起始狸膏。這意味著諸如誰(shuí)為大爆炸設(shè)立條件的問(wèn)題不是科學(xué)要過(guò)問(wèn)的問(wèn)題沟饥。
如果宇宙具有零尺度，還引起了另一種無(wú)限大湾戳，即溫度的無(wú)限大贤旷。在大爆炸本身，宇宙被認(rèn)為無(wú)限熱砾脑。隨著宇宙的膨脹幼驶，輻射的溫度減小晚伙。由于溫度就是粒子平均能量——或者速度的測(cè)度饼疙，宇宙的這個(gè)冷卻對(duì)其中的物質(zhì)就有重大的影響。在非常高的溫度下群嗤，粒子會(huì)運(yùn)動(dòng)得快到使它們能夠逃逸核力或電磁力所引起的任何相互吸引，但是隨著它們的冷卻氏淑，我們可以預(yù)料相互吸引的粒子開(kāi)始聚集成堆勃蜘。甚至在宇宙中存在的粒子的種類也依賴宇宙的溫度，并由此依賴宇宙的年齡假残。
亞里士多德相信物質(zhì)不是由粒子構(gòu)成的缭贡。他相信物質(zhì)是連續(xù)的。也就是說(shuō)辉懒，根據(jù)他的看法匀归，一塊物體可以被無(wú)限地分割成越來(lái)越小的小塊：永遠(yuǎn)不存在不能被進(jìn)一步分割的物質(zhì)顆粒。然而耗帕，一些希臘人穆端，比如德謨克里特認(rèn)為物質(zhì)本性上是顆粒性的，所有東西都是由大量的各種不同種類的原子組成的仿便。（原子這個(gè)詞在希臘文中意思是“不可分的”体啰。）現(xiàn)在我們知道——至少在我們的環(huán)境中，以及在宇宙的現(xiàn)在狀態(tài)中嗽仪，這是對(duì)的荒勇。但是我們宇宙的原子并不是一直存在的，它們不是不可分的闻坚，而且它們只代表了宇宙中粒子種類的小部分沽翔。
原子由更小的粒子：電子、質(zhì)子和中子組成窿凤。質(zhì)子和中子本身又由更小的稱為夸克的粒子組成仅偎。此外，對(duì)應(yīng)于這些次原子粒子的每一種都有一種反粒子存在雳殊。反粒子具有和同胞粒子相同的質(zhì)量橘沥，但是它們的電荷和其他屬性均相反。例如夯秃，電子的反粒子稱做正電子座咆，它具有正電荷，也就是和電子電荷相反仓洼〗樘眨可能還有由反粒子構(gòu)成的整個(gè)反世界和反人存在。然而色建，當(dāng)反粒子和粒子相遇時(shí)哺呜，它們相互湮滅。這樣镀岛，如果你遭遇上你的反自身弦牡，千萬(wàn)不要握手——你們倆會(huì)在一次巨大的閃光中消滅殆盡！
光能以另一類粒子漂羊，稱做光子的無(wú)質(zhì)量粒子的形式參與進(jìn)來(lái)驾锰。鄰近的太陽(yáng)核反應(yīng)爐對(duì)地球而言是最大的光子源。太陽(yáng)還是另一種粒子走越，即前面提到的中微子（和反中微子）的巨大源泉椭豫。但是這些極輕的粒子幾乎從來(lái)不和物質(zhì)相互作用，因此它們穿透我們而毫無(wú)效應(yīng)旨指，其速率是每秒幾十億顆赏酥。物理學(xué)家總共已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十種這類基本粒子。在歲月的流逝中谆构，隨著宇宙經(jīng)歷的復(fù)雜演化裸扶，這個(gè)粒子家族的組成也在時(shí)間中演化。正是由于這種演化搬素，類似地球的行星和諸如我們這樣的生命才能夠存在呵晨。
大爆炸后的1秒，宇宙已經(jīng)膨脹到足以使溫度降到大約100億攝氏度熬尺。這大約是太陽(yáng)中心溫度的1 000倍摸屠，但是氫彈爆炸能達(dá)到這么高的溫度。這時(shí)宇宙主要包含光子粱哼、電子和中微子以及它們的反粒子季二，還有一些質(zhì)子和中子。這些粒子曾經(jīng)有過(guò)這么大的能量揭措，當(dāng)它們碰撞時(shí)胯舷，會(huì)產(chǎn)生許多不同的粒子/反粒子對(duì)。例如绊含，碰撞的光子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子和它的反粒子需纳，即正電子。這些新產(chǎn)生的粒子中的一些會(huì)與反粒子同胞相碰撞并且湮滅艺挪。只要電子與正電子相遇不翩，它們就要湮滅，但是相反過(guò)程卻沒(méi)有這么容易：為了讓兩個(gè)諸如光子的無(wú)質(zhì)量粒子去創(chuàng)生諸如電子和正電子的一對(duì)粒子/反粒子麻裳，該碰撞的無(wú)質(zhì)量粒子必須具有確定的最小能量口蝠。那是因?yàn)橐粋€(gè)電子和正電子具有質(zhì)量，而這新創(chuàng)生的質(zhì)量必須來(lái)自碰撞粒子的能量津坑。隨著宇宙繼續(xù)膨脹以及溫度繼續(xù)下降妙蔗，發(fā)生能量大到足以創(chuàng)生電子/正電子對(duì)的碰撞不如電子/正電子對(duì)湮滅那么頻繁。因此疆瑰，大多數(shù)電子和正電子最終會(huì)相互湮滅眉反，產(chǎn)生更多光子昙啄，只余下相對(duì)少的電子。另一方面寸五，中微子和反中微子與自己以及與其他粒子之間只能非常微弱地相互作用梳凛，所以它們幾乎不會(huì)這么快地相互湮滅，它們今天應(yīng)當(dāng)仍然留在周圍梳杏。如果我們能夠觀測(cè)到它們韧拒，那將為這幅宇宙極熱早期階段的圖像提供很好的檢驗(yàn)。但是不幸的是十性，在100多億年之后的現(xiàn)在叛溢，它們的能量實(shí)在太低了，低到我們無(wú)法直接觀察到（盡管我們也許能間接地檢測(cè)到）劲适。
[插圖]
光子/電子/正電子的平衡
在早期宇宙中楷掉，存在電子/正電子對(duì)碰撞創(chuàng)生光子和相反過(guò)程之間的平衡。隨著宇宙溫度下降霞势，這種平衡變得對(duì)創(chuàng)生光子有利靖诗。宇宙中的大多數(shù)電子和正電子最終會(huì)相互湮滅，只余下相對(duì)少的電子存在至今支示。
大爆炸后大約100秒刊橘，宇宙的溫度降到10億攝氏度，也就是最熱恒星的內(nèi)部溫度颂鸿。在這個(gè)溫度下促绵，一個(gè)稱為強(qiáng)力的力起了重要的作用。我們將要在第11章里更加仔細(xì)討論的這種強(qiáng)力嘴纺，是一種短程的吸引力败晴，它把質(zhì)子和中子相互捆綁在一起而形成核。在足夠高的溫度下栽渴，質(zhì)子和中子具有足夠高的運(yùn)動(dòng)能量（見(jiàn)第5章）尖坤，使它們能從相互碰撞中自由獨(dú)立地出現(xiàn)。但是在十幾億攝氏度下闲擦，它們不再有足以克服強(qiáng)力吸引的能量慢味，而開(kāi)始結(jié)合在一起，產(chǎn)生氘（重氫）原子核墅冷，氘核包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子纯路。然后，氘核會(huì)再與更多的質(zhì)子和中子結(jié)合形成氦核寞忿，氦核包含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子驰唬，還有少量的一對(duì)更重的元素，鋰和鈹。人們可以計(jì)算出叫编，在熱大爆炸模型中大約1/4的質(zhì)子和中子轉(zhuǎn)變成氦核辖佣，還有少量的重氫和其他元素。而遺留下的中子會(huì)衰變成質(zhì)子搓逾，這是通常氫原子的核卷谈。
1948年，在一篇和他的學(xué)生拉夫·阿爾法合作的著名的論文中恃逻，科學(xué)家喬治·伽莫夫（見(jiàn)53頁(yè)）提出了宇宙熱的早期階段的這個(gè)圖像。伽莫夫頗為幽默——他說(shuō)服核物理學(xué)家漢斯·貝特將他的名字加到這篇論文上面藕施，使得列名作者為阿爾法寇损、貝特、伽莫夫裳食，正如希臘字母的前三個(gè)：阿爾法矛市、貝他、伽馬诲祸，這對(duì)于一篇有關(guān)宇宙開(kāi)初的論文特別適合浊吏！他們?cè)谶@篇論文中做出了一個(gè)驚人的預(yù)言：來(lái)自宇宙非常熱的早期階段的（以光子形式的）輻射今天還應(yīng)該在周圍存在，但是它的溫度已降低到只比絕對(duì)零度高幾攝氏度救氯。（當(dāng)物質(zhì)處于絕對(duì)零度即-273攝氏度時(shí)找田，不包含任何熱能，因此它是可能的最低溫度着憨。）
這正是彭齊亞斯和威爾遜在1965年發(fā)現(xiàn)的微波輻射墩衙。在阿爾法、貝特和伽莫夫?qū)懰麄兊恼撐臅r(shí)甲抖，對(duì)于質(zhì)子和中子的核反應(yīng)了解得不多漆改。所以對(duì)于早期宇宙不同元素比例所做的預(yù)言相當(dāng)不準(zhǔn)確，但是按照更好的知識(shí)重新進(jìn)行這些計(jì)算之后准谚，現(xiàn)在和我們的觀測(cè)非常符合挫剑。況且，去解釋為何宇宙大約1/4質(zhì)量處于氦的形式柱衔，用任何其他方法都是非常困難的樊破。
但是這個(gè)圖像存在問(wèn)題。在熱大爆炸模型中唆铐，熱在極早的宇宙中來(lái)不及從一個(gè)區(qū)域流到另一個(gè)區(qū)域捶码。這意味著要想解釋微波背景在我們觀測(cè)的任一方向上都具有相同溫度的事實(shí)，宇宙的初始狀態(tài)一定曾經(jīng)是處處溫度都完全相等或链。此外惫恼，其初始的膨脹率也必須選取得這么精確，使得現(xiàn)在的膨脹率仍然這么接近于避免坍縮所需要的臨界值澳盐。除了把它作為上帝想要?jiǎng)?chuàng)造像我們這樣的生靈所采取的舉動(dòng)之外祈纯，解釋宇宙為何恰好以這個(gè)方式起始是非常困難的令宿。為了試圖尋找一個(gè)能夠從許多不同的初始結(jié)構(gòu)演化成像現(xiàn)在宇宙這樣的一個(gè)模型，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家阿倫·固斯提出腕窥，早期宇宙可能經(jīng)歷過(guò)一個(gè)非沉Ｃ唬快速膨脹的時(shí)期。這個(gè)膨脹叫做暴脹簇爆，這意思是說(shuō)癞松，宇宙在一段時(shí)間里以增加的速率膨脹。按照固斯的說(shuō)法入蛆，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒的時(shí)間里响蓉，宇宙的半徑增大了100萬(wàn)億億億（1后面跟30個(gè)零）倍。宇宙中的任何不規(guī)則性都被這種膨脹抹平哨毁，正如當(dāng)你吹脹氣球時(shí)枫甲，它上面的皺紋就被抹平了。暴脹以這種方式解釋了宇宙現(xiàn)在光滑均勻的狀態(tài)是如何由許多不同的非均勻的初始狀態(tài)演化而來(lái)的扼褪。因此想幻，我們的圖像至少在回到大爆炸后的十萬(wàn)億億億億億分之一秒時(shí)仍然正確，對(duì)此我們有相當(dāng)?shù)陌盐铡?/p>
在初始的這一切混亂之后话浇，只在大爆炸后的幾個(gè)鐘頭內(nèi)脏毯，氦以及其他某些諸如鋰等元素的產(chǎn)生就停止了。此后的100萬(wàn)年左右幔崖，宇宙僅僅繼續(xù)膨脹抄沮，并沒(méi)有發(fā)生太多的事。最終岖瑰，一旦溫度下降到幾千攝氏度叛买，電子和核將不再有足夠的運(yùn)動(dòng)能量去克服它們之間的電磁吸引，它們就會(huì)開(kāi)始結(jié)合形成原子蹋订。宇宙整體繼續(xù)膨脹和冷卻率挣，但是在比平均密度稍微密集的區(qū)域，額外的引力吸引使膨脹緩慢下來(lái)露戒。
這種吸引最終會(huì)使某些區(qū)域停止膨脹并開(kāi)始坍縮椒功。隨著它們的坍縮，這些區(qū)域外的物質(zhì)的引力拉力可能使它們開(kāi)始稍微旋轉(zhuǎn)智什。隨著坍縮區(qū)域變得更小动漾，它會(huì)自轉(zhuǎn)得更快——正如在冰上旋轉(zhuǎn)的滑冰者，當(dāng)他們縮回手臂時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)得更快荠锭。最終旱眯，當(dāng)這個(gè)區(qū)域變得足夠小，它會(huì)旋轉(zhuǎn)得快到足以平衡引力的吸引，碟狀的旋轉(zhuǎn)星系就以這種方式誕生了删豺。其他碰巧沒(méi)有得到旋轉(zhuǎn)的一些區(qū)域共虑，就會(huì)形成稱為橢圓星系的橢球狀物體。在這些星系中呀页，因?yàn)樾窍档膫€(gè)別部分穩(wěn)定地圍繞著它的中心旋轉(zhuǎn)妈拌，所以區(qū)域停止坍縮，但星系整體并不旋轉(zhuǎn)蓬蝶。
隨著時(shí)間的流逝尘分，星系中的氫氣和氦氣被分割成更小的星云，它們?cè)谧陨硪ο绿s丸氛。當(dāng)它們收縮時(shí)培愁，它們中的原子相互碰撞，氣體的溫度升高雪位，直到最后熱得足以起始核聚變反應(yīng)竭钝。這些反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)變成更多的氦梨撞。正是這個(gè)類似于受控的氫彈爆炸的反應(yīng)所釋放的熱使恒星發(fā)光雹洗。這一附加的熱也增大了氣體的壓力，直至足以平衡引力的吸引卧波，從而氣體停止收縮时肿。星云以這種方式合并成類似我們太陽(yáng)的恒星，把氫燃燒成氦港粱，并且將產(chǎn)生的能量作為熱和光輻射出來(lái)螃成。這有點(diǎn)像氣球——在試圖使氣球膨脹的內(nèi)部空氣壓力和試圖使氣球縮小的橡皮張力之間有一個(gè)平衡。
熱氣體云一旦合并成恒星查坪，核反應(yīng)產(chǎn)生的熱和引力吸引相平衡寸宏，恒星會(huì)穩(wěn)定地維持很長(zhǎng)的時(shí)間。然而偿曙，恒星最終會(huì)耗盡它的氫和其他核燃料氮凝。恒星初始的燃料越多，它則會(huì)越快燃盡望忆。這的確似非而是罩阵，因?yàn)楹阈堑馁|(zhì)量越大，為了平衡引力它就必須越熱启摄；而恒星越熱稿壁，核聚變反應(yīng)就越快，也就越快耗盡它的燃料歉备。我們的太陽(yáng)很可能有足夠再維持50億年左右的燃料傅是，但是質(zhì)量更大的恒星卻可在1億年這么短的時(shí)間內(nèi)耗盡燃料，這可比宇宙的年齡短多了。
當(dāng)恒星耗盡了燃料落午，它開(kāi)始變冷谎懦，而引力占優(yōu)勢(shì)使它收縮。這一收縮把原子擠到一起溃斋，并使恒星再次變得更熱界拦。隨著恒星進(jìn)一步變熱，它開(kāi)始把氦轉(zhuǎn)變成像碳和氧那樣更重的元素梗劫。然而享甸，這并沒(méi)有釋放出更多得多的能量，于是梳侨，危機(jī)就要發(fā)生了蛉威。我們不完全清楚下一步會(huì)發(fā)生什么，但是看來(lái)很可能恒星的中心區(qū)域會(huì)坍縮成一個(gè)非常緊密的狀態(tài)走哺，諸如黑洞蚯嫌。“黑洞”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是非常近期才出現(xiàn)的丙躏，它是1969年美國(guó)科學(xué)家約翰·惠勒為了形象地描述一個(gè)觀念時(shí)杜撰的名字择示。這個(gè)觀念至少可回溯到200年前，那個(gè)時(shí)候共有兩種光的理論：牛頓贊成其中一種晒旅，光由粒子組成栅盲，另一種是光由波構(gòu)成。現(xiàn)在我們知道废恋，實(shí)際上這兩者都是正確的谈秫。正如我們將在第9章中看到的，由于量子力學(xué)的波粒二象性鱼鼓，光既可被認(rèn)做波拟烫，也可被認(rèn)做粒子。描述詞波和粒子是人類創(chuàng)造的概念迄本，自然沒(méi)有必要遵照這些概念硕淑，把所有現(xiàn)象都非此即彼地歸入其中的一個(gè)種類！
在光由波構(gòu)成的理論中岸梨，我們不清楚光對(duì)引力的反應(yīng)如何喜颁。但是如果認(rèn)為光是由粒子組成的，我們可以預(yù)料曹阔，那些粒子正如炮彈半开、火箭和行星一樣，以相同的方式受引力影響赃份。特別是寂拆，如果你從地球——或者恒星——的表面向上發(fā)射出一個(gè)炮彈（正如50頁(yè)的火箭）奢米，除非其向上起始的速度超過(guò)某個(gè)值，否則它最終將會(huì)停止纠永，然后返回鬓长。這個(gè)最小的速度稱為逃逸速度。一個(gè)恒星的逃逸速度依賴于它的引力拉力的強(qiáng)度尝江，恒星的質(zhì)量越大涉波，其逃逸速度就越大。起先人們認(rèn)為炭序，光粒子無(wú)限快地運(yùn)動(dòng)啤覆，這樣引力不能夠使它們緩慢下來(lái)，但是羅默對(duì)光以有限速度行進(jìn)的發(fā)現(xiàn)意味著惭聂，引力可能具有重要的效應(yīng)：如果恒星質(zhì)量足夠大窗声，光的速度將小于恒星的逃逸速度，那么所有從恒星發(fā)射出來(lái)的光都將返落回去辜纲。1783年笨觅，在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上，劍橋的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾在《倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇文章耕腾。他指出见剩，一個(gè)質(zhì)量足夠大，并且足夠緊致的恒星可能具有如此強(qiáng)大的引力場(chǎng)幽邓，以至于連光線都不能逃逸炮温。任何從恒星表面發(fā)出的光火脉，還沒(méi)到達(dá)非常遠(yuǎn)的距離即被恒星的引力吸引拉曳回來(lái)牵舵。這樣的物體就是我們現(xiàn)在稱做黑洞的東西，因?yàn)槟鞘敲逼鋵?shí)的：空間中的黑的空洞倦挂。
幾年后畸颅，法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯侯爵提出了一個(gè)類似的觀念，他的論斷顯然獨(dú)立于米歇爾方援。有趣的是没炒，拉普拉斯只將此觀念納入他的《世界系統(tǒng)》一書(shū)的第一版和第二版中，而在以后的版本中將其刪除犯戏。也許他認(rèn)定這是一個(gè)愚蠢的觀念——因?yàn)樵?9世紀(jì)利用波理論似乎就能解釋一切送火，光的微粒說(shuō)變得不時(shí)興了。事實(shí)上先匪，因?yàn)楣馑偈枪潭ǖ闹治栽谂ｎD引力論中，將光類似炮彈那樣處理并不真正協(xié)調(diào)呀非。從地面發(fā)射上天的炮彈由于引力而減速坚俗，最后停止并折回镜盯；然而，一個(gè)光子必須以不變的速度向上繼續(xù)運(yùn)動(dòng)猖败。直到1915年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論之前速缆，一直沒(méi)有關(guān)于引力如何影響光的協(xié)調(diào)理論，而且直到1939年恩闻，一位年輕的美國(guó)人羅伯特·奧本海默艺糜，根據(jù)廣義相對(duì)論，才首先解決了理解大質(zhì)量恒星會(huì)發(fā)生什么的問(wèn)題幢尚。
現(xiàn)在倦踢，從奧本海默的工作中，我們得到如下的圖像侠草。恒星的引力場(chǎng)改變了光線通過(guò)時(shí)空的路徑辱挥，使之和原先沒(méi)有恒星情況下的路徑不一樣。這正是當(dāng)日食發(fā)生時(shí)边涕，從遠(yuǎn)處恒星來(lái)的光線的彎曲中觀測(cè)到的效應(yīng)晤碘。在恒星表面附近，光線在空間和時(shí)間中的軌道稍微向內(nèi)彎曲功蜓。隨著恒星收縮园爷，它變得更密集，這樣在它的表面上引力場(chǎng)變得更強(qiáng)大式撼。（你可以認(rèn)為引力場(chǎng)是從恒星的中心點(diǎn)出來(lái)的童社；隨著恒星收縮，它表面上的點(diǎn)越來(lái)越靠近中心著隆，這樣它們感受到更強(qiáng)大的場(chǎng)扰楼。）越強(qiáng)大的場(chǎng)使在表面附近的光線路徑向內(nèi)彎曲越甚。最終美浦，當(dāng)恒星收縮到某一臨界半徑時(shí)弦赖，表面上的引力場(chǎng)變得這么強(qiáng)大，將光線路徑向內(nèi)彎曲得這么厲害浦辨，以至于光不再能夠逃逸蹬竖。
根據(jù)相對(duì)性理論，沒(méi)有東西運(yùn)動(dòng)得比光還快流酬。這樣币厕，如果光都逃逸不出去，其他東西也不可能逃逸芽腾；任何東西都被引力場(chǎng)拉回去旦装。坍縮的恒星形成一個(gè)圍繞它的時(shí)空區(qū)域，不可能從那里逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者晦嵌。這個(gè)區(qū)域就是黑洞同辣。黑洞的外邊界稱做事件視界拷姿。今天，多謝哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和其他專注于X射線和伽馬射線而非可見(jiàn)光的其他望遠(yuǎn)鏡旱函，我們知道黑洞乃是普通現(xiàn)象——比人們?cè)纫詾榈囊胀ǖ枚嘞斐病Ｒ活w衛(wèi)星只在一個(gè)小天區(qū)里就發(fā)現(xiàn)了1 500個(gè)黑洞。我們還在我們星系的中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞棒妨，其質(zhì)量比100萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量還要大踪古。那個(gè)超重的黑洞有一個(gè)圍繞著它以大約2%光速公轉(zhuǎn)的恒星，其速度比一顆圍繞著原子核公轉(zhuǎn)的電子的平均速度還快券腔！
如果向上發(fā)射的物體比逃逸速度還快伏穆，它就未必落回。
為了理解你凝視一個(gè)大質(zhì)量恒星坍縮形成黑洞時(shí)出現(xiàn)的景象纷纫，必須記住在廣義相對(duì)論中不存在絕對(duì)時(shí)間枕扫。換言之，每位觀察者都有他自己的時(shí)間測(cè)度辱魁。因?yàn)樵诤阈潜砻嫔系囊?chǎng)更強(qiáng)烟瞧，所以在恒星表面上的某人和在遠(yuǎn)處的某人的時(shí)間流逝是不同的。
設(shè)想在正在坍縮的恒星表面上有一位無(wú)畏的航天員染簇，當(dāng)恒星向內(nèi)坍縮時(shí)他留在星球表面上参滴。在他的手表的某一時(shí)刻——比如講11：00——恒星收縮到臨界半徑以下，此時(shí)引力場(chǎng)變得這么強(qiáng)锻弓，以至于沒(méi)有任何東西可以逃逸出去±猓現(xiàn)在假定他的指令是按照他的手表每一秒發(fā)送一個(gè)信號(hào)到上方的一個(gè)宇宙飛船上，后者在離開(kāi)恒星中心的某一固定距離上公轉(zhuǎn)青灼。他開(kāi)始在10：59：58暴心，也就是比11：00早2秒開(kāi)始傳送，他在宇宙飛船上的同伴會(huì)記錄到什么呢聚至？
我們從早先的搭乘火箭飛船理想實(shí)驗(yàn)中得知酷勺，引力使時(shí)間變得緩慢本橙，而且引力越強(qiáng)扳躬，則效應(yīng)越大。在恒星上的航天員比他在軌道上的同伴們處于更強(qiáng)的引力場(chǎng)中甚亭，這樣對(duì)他而言的1秒按照他同伴們的手表要比1秒長(zhǎng)久贷币。而且隨著他乘坐的恒星向內(nèi)坍縮，他感受的場(chǎng)會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)亏狰，這樣宇宙飛船上的那些人覺(jué)得役纹，從他來(lái)的信號(hào)間隔顯得越來(lái)越長(zhǎng)。這種時(shí)間的拉長(zhǎng)在10：59：59之前是非常微小的暇唾，于是促脉，在軌道上公轉(zhuǎn)的航天員們辰斋，為了接收航天員，按照他的表瘸味，分別在10：59：58和10：59：59發(fā)出的信號(hào)宫仗，只需等待比1秒稍長(zhǎng)的時(shí)間。但是旁仿，軌道上的航天員們必須無(wú)限久地等待11：00的信號(hào)藕夫。所有發(fā)生于恒星表面上在10：59：59和11：00（按照航天員的手表）之間的每件事情，在宇宙飛船看來(lái)枯冈，都被散開(kāi)到一個(gè)無(wú)限的時(shí)期毅贮。當(dāng)接近11：00時(shí)，從恒星出發(fā)的任何光的接續(xù)的波峰和波谷之間的到達(dá)時(shí)間間隔會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)尘奏，正如同從航天員來(lái)的信號(hào)之間的間隔一樣滩褥。由于光的頻率是以每秒波峰和波谷的數(shù)目來(lái)測(cè)度的，對(duì)于在宇宙飛船上的那些人炫加，恒星來(lái)的光頻率顯得越來(lái)越低铸题。這樣，它的光會(huì)顯得越來(lái)越紅（也越來(lái)越淡）琢感。最終丢间，該恒星變得這么黯淡，以至于在宇宙飛船上再也看不見(jiàn)它了：所余下的一切便是空間中的一個(gè)黑洞驹针『娲欤可是，該恒星仍然將同樣的引力繼續(xù)作用到宇宙飛船上柬甥，使飛船繼續(xù)公轉(zhuǎn)饮六。
[插圖]
潮汐力
因?yàn)橐﹄S距離減弱，由于你腳部比頭部離地球中心近12米苛蒲，地球?qū)δ愕念^部的拉力小于腳部受到的拉力卤橄。我們覺(jué)察不到這么小的差別。但是在黑洞表面附近的航天員肯定會(huì)被撕裂臂外。
然而窟扑，由于以下的問(wèn)題，這個(gè)場(chǎng)景不是完全現(xiàn)實(shí)的漏健。你離開(kāi)恒星越遠(yuǎn)則引力越弱嚎货，這樣在我們無(wú)畏的航天員腳上的引力總是比在他頭上的力更大。在恒星收縮到臨界半徑并在那里形成事件視界之前蔫浆，這種力的差異就足以把他拉伸得像意大利面條一樣或者撕裂殖属。然而，我們相信在宇宙中存在大得多的物體瓦盛，例如在一些星系的中心區(qū)域洗显，它們也能遭受引力坍縮而產(chǎn)生黑洞外潜，正如在我們星系中心的超大質(zhì)量黑洞。在這樣的一個(gè)物體上挠唆，在形成黑洞之前橡卤，航天員不會(huì)被撕開(kāi)。事實(shí)上损搬，當(dāng)他到達(dá)臨界半徑時(shí)沒(méi)有覺(jué)察到任何特殊之處碧库，甚至他能夠不知不覺(jué)地通過(guò)這一永不回返之點(diǎn)——盡管對(duì)于在外面的那些人，他的信號(hào)變得越來(lái)越稀疏巧勤，直至最終停止嵌灰。而隨著區(qū)域繼續(xù)坍縮，僅僅在（由航天員測(cè)量的）幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)颅悉，他頭上和腳上的引力的差別就會(huì)變得這么強(qiáng)大沽瞭，又會(huì)將他撕裂。
當(dāng)一個(gè)質(zhì)量非常大的恒星坍縮時(shí)剩瓶，恒星的外部區(qū)域有時(shí)會(huì)在一次稱做超新星的極大的爆發(fā)中被刮跑驹溃。超新星爆發(fā)是如此之巨大，它發(fā)出的光可以比它所在的星系中所有其他恒星合并在一起發(fā)出的光還要多延曙。我們看到的蟹狀星云便是超新星爆發(fā)一例的殘余豌鹤。1054年中國(guó)人對(duì)此做了記載。雖然爆發(fā)的恒星在5 000光年之遙枝缔，但在數(shù)月的時(shí)間里仍可被肉眼看到布疙，它是這么耀眼，甚至白天都能看到愿卸，夜里可以借它看書(shū)灵临。500光年之遙的超新星——1/10那么遠(yuǎn)——將會(huì)亮100倍，并且真的可將黑夜變成白晝趴荸。為了理解這種爆發(fā)的猛烈儒溉，只要考慮到，盡管它比太陽(yáng)（回憶一下发钝，我們的太陽(yáng)位于8光分的鄰近距離上）遠(yuǎn)幾千萬(wàn)倍顿涣，它的光仍然可以和太陽(yáng)相匹敵。如果超新星發(fā)生得足夠近笼平，雖然地球可以安然無(wú)恙园骆，但它仍然發(fā)射出足以使所有生物致命的輻射。事實(shí)上寓调，最近有人還提出，上新世和更新世過(guò)渡期的大約200萬(wàn)年前锄码，發(fā)生過(guò)海洋生物的滅絕夺英，它是由鄰近的稱做天蝎-半人馬星協(xié)的星團(tuán)中超新星宇宙線輻射導(dǎo)致的晌涕。一些科學(xué)家相信，因?yàn)樵谛窍抵泻阈敲芗膮^(qū)域痛悯，諸如超新星之類的現(xiàn)象甚為普遍余黎，足以在所有生命演化的起始就將它們定期撲滅。所以载萌，高級(jí)生命只可能在沒(méi)有太多恒星的區(qū)域——“生命帶”——中演化惧财。在宇宙中每天平均有成千上萬(wàn)次超新星在某處爆發(fā)。在任何特定的星系中超新星大約每一世紀(jì)發(fā)生一次扭仁，但這僅僅是平均垮衷。可惜的是——至少對(duì)于天文學(xué)家而言——在銀河系中上一回有記錄的超新星發(fā)生于1604年乖坠，是在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前搀突。
在我們星系中，有一顆被稱為仙后座ρ星熊泵，它是我們星系中下一次超新星爆發(fā)的最重要候選者仰迁。幸運(yùn)的是，它是安全無(wú)憂的顽分，距我們有10 000光年的距離徐许。它屬于稱為黃特超巨星類型的恒星，只是在銀河系中已知的7個(gè)黃特超巨星中的一個(gè)卒蘸。1993年一支國(guó)際天文學(xué)家隊(duì)伍開(kāi)始研究這個(gè)恒星绊寻。在他們后來(lái)觀測(cè)的幾年間，這個(gè)恒星經(jīng)歷了幾百攝氏度的周期性溫度起伏悬秉。在2000年夏天澄步，它的溫度忽然從7 000攝氏度左右快速降至4 000攝氏度。在這一期間和泌，天文學(xué)家們還在恒星大氣層測(cè)到氧化鈦村缸，他們相信這是被巨大的沖擊波從恒星拋出的外層的一部分。
在超新星中武氓，在接近恒星生命終點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的某些重元素被摔回到星系中梯皿，并為下一代恒星提供一些原料。我們的太陽(yáng)就包含大約2%的這些重元素县恕。它是第二或第三代恒星东羹，在大約50億年前由包含更早的超新星殘骸的旋轉(zhuǎn)氣體云形成的。云中的大部分氣體形成了太陽(yáng)或者噴到外面去忠烛，但是少量的重元素集聚在一起属提，形成了現(xiàn)在像地球這樣的，作為行星圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的物體。我們首飾上的金以及我們核反應(yīng)堆中的鈾冤议，都是在我們太陽(yáng)系誕生之前發(fā)生的超新星的殘余斟薇！
當(dāng)?shù)厍騽倓偰蹠r(shí)，它非常熱并且沒(méi)有大氣恕酸。它在時(shí)間的長(zhǎng)河中冷卻下來(lái)堪滨，并從巖石中逸出的氣體里獲得大氣。我們不能夠在這個(gè)初始的大氣中存活蕊温。它不包含氧氣袱箱，但它肯定包含大量對(duì)我們有毒的其他氣體，例如硫化氫（也就是臭雞蛋發(fā)出的難聞的氣體）义矛。然而发笔，那時(shí)就存在著能在這種條件下繁衍的其他原始生命的形式。人們認(rèn)為症革，它們可能是原子的偶然結(jié)合筐咧，形成叫做宏觀分子的大結(jié)構(gòu)的結(jié)果，而在海洋中發(fā)展噪矛，這種結(jié)構(gòu)能將海洋中的其他原子聚集成類似的結(jié)構(gòu)量蕊。它們就這樣自我復(fù)制而繁殖。在有些情況下復(fù)制中有誤差艇挨，這些誤差大多數(shù)使得新的宏觀分子不能自我復(fù)制并最終被消滅残炮。然而，有一些誤差會(huì)產(chǎn)生出新的宏觀分子缩滨，它們甚至?xí)行У貜?fù)制自己势就。所以它們具有優(yōu)勢(shì)，并趨向于取代原先的宏觀分子脉漏。進(jìn)化的過(guò)程就是以這種方式開(kāi)始苞冯，進(jìn)化導(dǎo)致越來(lái)越復(fù)雜的自我復(fù)制有機(jī)體的發(fā)展。第一種原始的生命形式消化了包括硫化氫在內(nèi)的不同物質(zhì)而釋放氧氣侧巨，這就逐漸地將大氣改變到今天這樣的成分舅锄，并允許諸如魚(yú)司忱、爬行動(dòng)物、哺乳動(dòng)物以及最終像人類這樣的高級(jí)生命形式的發(fā)展坦仍。
20世紀(jì)見(jiàn)證了人類宇宙觀的轉(zhuǎn)變：我們意識(shí)到，我們自己的行星在廣袤的宇宙中是微不足道的繁扎，而且我們發(fā)現(xiàn)時(shí)間和空間是彎曲的幔荒，是不可分離的，宇宙正在膨脹，而且它在時(shí)間中有一開(kāi)端墓怀。
宇宙從非常熱的狀態(tài)起始汽纠，并隨著膨脹而冷卻的這一圖景是基于愛(ài)因斯坦的引力論卫键，即廣義相對(duì)論，它和我們今天得到的所有觀測(cè)證據(jù)都相符合虱朵，這是該理論的偉大勝利莉炉。然而碴犬，由于該理論預(yù)言了絮宁，宇宙從大爆炸服协，也就是當(dāng)它的密度和時(shí)空的曲率都為無(wú)限大的時(shí)刻起始，而數(shù)學(xué)不能完全應(yīng)付無(wú)窮大的數(shù)偿荷，所以廣義相對(duì)論預(yù)言了在宇宙中存在一點(diǎn)，在那里跳纳，理論本身崩潰或者失敗了。這樣的點(diǎn)正是數(shù)學(xué)家稱之為奇點(diǎn)的一個(gè)例子寺庄。當(dāng)一個(gè)理論預(yù)言諸如無(wú)限密度和曲率的奇點(diǎn)時(shí)，這是一個(gè)征兆赢织，說(shuō)明該理論必須做某種修正。因?yàn)?b>廣義相對(duì)論不能告訴我們宇宙是如何起始的于置，所以它是一個(gè)不完備的理論。
除了廣義相對(duì)論俱两，20世紀(jì)還孕育了自然的另一個(gè)偉大的部分理論——量子力學(xué)曹步。那個(gè)理論處理發(fā)生在非常小尺度下的現(xiàn)象宪彩。我們的大爆炸圖景告訴我們讲婚，在極早期宇宙有過(guò)一個(gè)時(shí)刻，那時(shí)宇宙如此之小，甚至在研究它的大尺度結(jié)構(gòu)時(shí)雏婶，人們不能夠再無(wú)視量子力學(xué)的小尺度效應(yīng)白指。我們?cè)谙乱徽聦?huì)看到留晚，把這兩個(gè)部分理論結(jié)合成一個(gè)單獨(dú)的量子引力論告嘲，激起我們一個(gè)偉大的抱負(fù)，去完全理解宇宙自始至終的全過(guò)程橄唬。在量子引力論中，通常的科學(xué)定律在所有地方隆判，也包括在時(shí)間的開(kāi)端處都成立，沒(méi)有必要存在任何奇點(diǎn)侨嘀。
