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从大爆炸到黑洞--史蒂芬·霍金的宇宙观

贝尔电话实验室的阿诺·彭其亚和罗伯特·威尔逊正在做一项精密的微波测量实验。他们
接收到的噪声比预想的大许多。他们仔细地排除可能的干扰--包括天线上的鸟粪。他们预料,当探测器倾斜指向天空时,由于光线穿过了更厚的大气层,就将受到更多的干扰,噪声应比探测器垂直指向天空时更强。
  然而实验发现,无论探测器朝什么方向,这额外的噪声都是一样的。这说明噪声来自大气层以外。这两位科学家无意中证明了弗利德曼关于在大尺度下宇宙各向同性、异常均匀的假设,而且更大的惊喜还在等著他们。他们听说了狄克和皮帕尔斯关于早期宇宙辐射的工作,立刻意识到自己已经找到了它--2.7K(绝对温度)的宇宙背景辐射!
  他们二人也因此摘取了1978年的诺贝尔奖。
  同样在1965年,史蒂芬·霍金后来的合作者,英国物理学家罗杰·彭罗斯证明了,在广义相对论的基础上,由于自身引力作用而坍缩的恒星的表面积和体积最终将缩小到零,此时物质的密度和空间--时间曲率均为无穷大,这就是我们以后将要谈到的另一个奇点--黑洞。
  彭罗斯的结果只涉及到了恒星,而并没有涉及大爆炸奇点的问题。正在攻读博士学位的霍金读到了彭罗斯的关于"任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点"的定理,并很快意识到如果将该定理的时间箭头颠倒的话,应该得出如下结论:"任何类弗利德曼膨胀模型必须从一个奇点开始"。1970年,霍金和彭罗斯两人合作得论文终于证明了,如果广义相对论是正确的,我们这个膨胀著的宇宙过去必须存在著一个大爆炸奇点!
  他们的工作遭到了相当多的反对。科学家们不喜欢奇点和宇宙、时间开端的结论。然而情绪毕竟无法胜过数学定理。随著实验和观测数据的积累,人们越来越清楚地认识到,宇宙在时间上必须有个开端。
  霍金和彭罗斯的研究显示了广义相对论只是一个不完全的部分理论,它无法告诉我们宇宙是如何开始的,并且开始之前是如何的。奇点定理更进一步显示的是,在极早期的宇宙中曾有过一个时刻,那时宇宙的尺度是如此之小,以致于人们不得不考虑另一个伟大的部分理论--描述小尺度效应的量子力学。正如霍金自己所说:"现在几乎每个人都相信宇宙是从大爆炸奇点开始的,而我却改变了想法,并试图说服其他科学家:事实上在宇宙的开端并没有奇点--只要考虑量子效应,奇异性会消失!"
(九)黑洞
  在用量子力学考虑大爆炸奇点之前,我们先看看另一个在广义相对论框架下的奇点--黑洞。
  我们都知道逃逸速度。星体所产生的引力场(和星体的质量及密度有关)越大,从其表面逃逸所需的极限速度就越大。如果这个引力场大到某个极限,使以光速运动的物体也不能挣脱它的束缚而逃逸,那么我们将无法观察到这个星体,仅能感受到它的引力效应。。这就是在200年前对黑洞的最初定义。
  实际上,对于光不能象对待普通物体那样考虑,因为普通物体在上抛的过程中速度逐渐变慢,并最终落回地面,而光是以不变的速率前进的。因此必须以广义相对论的观点重新解释黑洞现象,也就是:
  光由于强大的引力场造成的空间--时间扭曲,而被强烈地折弯并回到星体表面,不能从其表面逃逸。
  黑洞是一个空间--时间区域,它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离,这个边界称为"事件视界"。它如同一个单向的膜,只允许物质穿过视界并落到黑洞里去,但没有任何物质能够从里面出来!
  那么黑洞是如何形成的呢?让我们先从恒星的生命周期说起。宇宙早期的星云物质--绝大部分是氢的极其稀薄的气体--由于自身的引力作用而收缩成恒星。由于收缩过程中气体原子相互碰撞的频率和速度越来越高,导致气体温度上升并最终使恒星发光。当温度如此之高,以致于氢原子碰撞后不再离开而是聚合成氦,这被称为"热核聚变"。聚变释放出的巨大能量使恒星气体的压力进一步升高,并达到足以平衡恒星内部引力的程度,于是恒星的收缩停止下
来,并在相当长的时间里稳定地燃烧。当恒星耗尽了这些氢之后,由于核反应的减弱而开始变冷,恒星气体的压力不足以抵抗自身引力的而导致恒星重新开始收缩。恒星中的氦元素发生聚变形成碳或氧之类较重的元素。但这一过程并没有释放太多的能量,恒星继续收缩。
  诺贝尔奖得主,印度裔美籍科学家强德拉塞卡在1928年指出,由于"泡利不相容原理"(在同一轨道不存在两个运动状态完全相同的粒子)的作用,当恒星进一步缩小时,物质粒子靠得非常近并且必须严格地遵守不相容原理,因而粒子之间发散的趋势平衡了恒星自身的引力,使恒星不再缩小。如果这个不相容原理引起的排斥力是电子间产生的,那么恒星将坍缩成为一颗半径为几千英里,密度为每立方英寸几百吨的冷恒星--"白矮星"。科学家们已经观测到大量的白矮星。坍缩的另一种形式为"中子星"--它上面的的电子早已被引力拉到质子上,因此这种恒星全部由中子组成,并靠中子间不相容原理引起的排斥力抗衡自身引力以维持"体形"。它们的半径只有10英里左右,密度为每立方英寸几亿吨。中子星同样已经为观测所证实。
  强德拉塞卡同时计算出,当恒星质量大于太阳质量的一倍半时,即使不相容原理也无法阻挡恒星的继续坍缩,恒星将无休止的收缩,直至体积为零!此时的物质密度和空间--时间曲率将无穷大。所有的科学定律将在此失效。这就是我们前面所提到的"黑洞奇点"。
  事实上存在著这样一种情形:超过强德拉塞卡极限的恒星在耗尽自己的燃料时,它们可能会在被称为"超新星爆发"的巨大爆炸中抛出大量的物质,使自己降到极限质量之下从而避免坍缩。但这不可能总是发生,即使总是发生,那么如果将额外的物质加在白矮星或中子星上,结果又将这样呢?
  科学家们感到震惊,他们无法相信这一理论并对它怀有敌意。他们纷纷撰文试图证明恒星的体积不会收缩到零,这其中也包括爱因斯坦。
  但是,史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯于1965和1970年的研究指出,如果广义相对论是正确的话,那么在黑洞中必然存在著无限大密度和空间--时间曲率的奇点。这个奇点和大爆炸类似,是一切事件的终结之处,科学定律可预见性都将失效。
我们用广义相对论来描述和理解一下黑洞。当恒星坍缩时,恒星发出的光波被强烈的红移。当恒星收缩到它的临界

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