第十九章　黑洞宇宙

路很長，臨近盡頭尤甚。 　　　　　　　　　　　　　　 ——迪·阿倫（Woody Alien） 這最後一章　是用宇宙整體的眼光來看黑洞的時候了。我們已經尋找了比原子還小的微型原初黑洞的光亮，我們已經看到了半徑為10公里上下的恆星級黑洞的誕生，我們也已經同尺度像太陽系那麼大的巨型黑洞打過了交道，只剩下一個問題要問：可能的最大黑洞是什麼？答案是現代科學中的一個最驚人的設想：宇宙本身。 要弄懂為什麼這個答案並非妄言，必須介紹一些宇宙學的基本知識。現代宇宙學家已經超越了人類為求得一個可認識和無疑慮的宇宙圖像所編過的神話和所作過的玄想，他們有三個觀測事實，在對之作了仔細的物理解釋後，就能據以反推出宇宙的過去歷史。星系的運動，輕元素（指氫、氛和氦，它們不是在恆星中產生的）的相對丰度，以及均勻的宇宙輻射，全都表明宇宙在自極高密、極高溫的大爆炸狀態以來的150億年中一直在膨脹。 觀測已經提供了對宇宙歷史的透視，然而只有理論才能猜測宇宙的未來。由於決定大尺度物理結構的是引力，愛因斯坦廣義相對論給出了與過去的狀態相符的宇宙學模型。關於將來，則有兩個可能的解答：一個膨脹再收縮的宇宙，在時間上和空間上都是有限的；或者是一個無限地膨脹的宇宙（與某些宇宙學家也有的流行觀念相反，宇宙在時間上的無限並不意味著在空間上的無限）。 宇宙中物質的平均密度決定著宇宙未來的命運。如果密度小於臨界值10《』克／立方厘米（相當於每立方米的空間里有六個氫原子），」則宇宙的引力場不足以束縛住物質，宇宙將繼續無休止地膨脹。相反，如果平均密度大於臨界值，則引力終將使宇宙停止膨脹並重新收縮，在1000億年內宇宙將坍縮成一種與大爆炸相反的狀態，不妨叫做大擠壓。 無論宇宙的最後命運如何（宇宙密度的實際測量值稍小於臨界值，但還不能由此得出「開放」宇宙的結論，因為並非所有的物質都已被觀測到），黑洞都將是其中的主角。普林斯頓高級學術研究所的弗里曼·戴森（Freeman Dxson）和倫敦大學的雅瑪爾·伊思蘭（Jamal Islam）已經研究了持續膨脹的宇宙的長時期演化（見伊思蘭的著作《宇宙的最終命運》入劍橋大學出版社1983年）。雖然宇宙已經存在了150億年，這種長時間的物理過程尚未開始，但遲早將會來臨。在大約102』年裡，所有已熄滅的恆星都將聚集在星系中心，成為10』他彈量的大黑洞。星系團中星系軌道運動的能量也將由於引力輻射而消散，在大約1031年里星系都將落到團的中心，並聚合成10」Mpe量的超巨型黑洞。在更大得多的時間尺度上，反過程即黑洞的量子蒸發將會發生。恆星級黑洞將在10e』年裡蒸發光，星系級巨型黑洞需要100』年，超巨型黑洞則需要10』歷年。作為能量和滴的最後蓄積，黑洞將變得與白洞類似，把自己的物質散布到膨脹的宇宙中（以「合格」的黑體輻射的形式，見第15章）。 戴森最後問自己，面對宇宙不可避免地變得稀薄和冷卻這種不利的條件，高級文明能否通過從黑洞中提取能量來無限期地維持生存？這個設想使人回憶起一些典型的科學幻想故事，而與現代粒子物理的一個預測相抵觸，那就是，質子並不是永存的，而是會在大約收『年後衰變（現有實驗並未證實關於質子壽命的這個預測）。那麼，遠在黑洞開始釋放其能量之前，所有的物理結構和生命組織就都已消亡。 現在來考查一下時間上和空間上都有限的膨脹一收縮宇宙的後果。使宇宙成為一個閉合系統所需的最低密度是一個質量為1023M，半徑為400億光年的黑洞的平均密度（黑洞的平均密度是隨其半徑的增大而減小的），而對我們的宇宙而言，光所走過的最大距離不超過150億光年。這就是說宇宙是在其史瓦西半徑之內，能由此得出結論說我們是生活在一個極其巨大的黑洞內部嗎？ 更深入地作一番考慮，就會發現有一系列的理論證據支持黑洞宇宙的假設。請讀者回想圖47這一智力傑作，即是一顆坍縮的球形恆星內部和外部的時空圖。外部是史瓦西幾何片，而內部的幾何則有賴於恆星物質的狀態方程。廣義相對論證明，如果恆星類似於一團壓強為零、密度均勻的球狀「雲」，即類似於充滿於宇宙的星系氣體，則雲的內部幾何（圖中的斜線區）與閉合宇宙的幾何完全一致，而且內部和外部幾何在雲的表面完好地相連接。 另一方面，閉合的膨脹一收縮宇宙也有一個視界，即這樣一個時空邊界，在其之外的事件是我們所不可聯絡的，因為那些事件的光信號不能到達我們這裡。這個宇宙學視界（不要與粒子視界相混淆，後者是指在一個給定時刻宇宙中可觀測部分的空間邊界）是與將來奇點（即大擠壓）相聯繫著，從內部看，它就像黑洞視界從外部看時規定著黑洞的邊界一樣（事實上閉合宇宙的最大半徑與它在外部觀測者眼中的史瓦西半徑精確相等）。 因此可以想像，如果宇宙是閉合的，就必定有一個外部世界，我們的宇宙是其中的一個隱藏在黑洞內的區域。顯然，如果這個（仍令人迷惑不解的）假設能得到證明，宇宙學將展開一個全新的領域。 例如，科學家們首先想知道的是，我們的宇宙是怎樣成為一個黑洞的。它是外部宇宙中的一個原初黑洞呢，還是由一個102M質量的「超級恆星」的目力坍縮而形成的呢？這樣看來，外部宇宙就不是真空，那裡的星系（或許是由我們完全不知道的物質組成的）可以整個地掉進我們的宇宙。 宇宙作為一個黑洞的最吸引人的結果將是黑洞內物質完全出乎意料的行為。廣義相對論指出，恆星在史瓦西半徑以內的引力收縮必定以中心奇點為終結。但是，廣義相對論是不完整的。由於沒有量子引力理論，我們必須承認對支配黑洞內物質行為的定律實際上一無所知。膨脹一收縮的黑洞宇宙似乎暗示著，黑洞內的引力坍縮可以在奇點之前停止。物質的某種最後阻抗，例如一種只在很小距離上才顯示出來的強排斥作用，可能造成坍縮恆星的物質「反彈」，類似地，整個宇宙就在極密狀態和充滿史瓦西球內部的膨脹狀態之間無限地振蕩。這種行為可能有一天會在所有基本相互作用的統一理論中出現，在這種理論中引力奇點已被消除（見第12章）。 黑洞宇宙理論最後提出的問題是關於我們宇宙的唯一性。我們的封閉宇宙相對於外部宇宙是處於什麼地位呢？也許可以有一個套一個的宇宙等級，也就是黑洞之中又有黑洞。最新的物理理論允許這種「氣泡宇宙」的存在。 這些有點過度的猜測更像是幻想而不是真實。它們在學術機構的研究工作中並不怎麼受重視，因為它們實在延伸得超出我們的實際知識太遠，而對科學的真正進展又沒有什麼幫助。或許有一天我們能擁有賴以回答這些問題的理論工具，但是我們決不要欺騙自己：所有這些理論都建立在想像之上，而現實常常與想像大不相同。為了抓住真實世界的哪怕是一個碎片，我們必須用自己的腦和手工作，作千百次的測量，而不是依靠那些過於優美的主意和理論。 已經到了本書的結尾，我們學到了什麼東西呢？我想是的，黑洞的出現無疑標誌著一場革命的開始。這是變化著的思想和理論世界的革命，也是恆星、星系和宇宙本身的命運正在緩慢地展示出來的真實世界的革命。但是所有的革命都有隱藏的危險。作為毛里斯·梅特林克（Maur