从大爆炸到黑洞——史蒂芬·霍金的宇宙观


徐冬松





（一）？？？


　　圣经说：上帝创造了宇宙。

　　当代物理学家说：宇宙从大爆炸中诞生。

　　梵蒂冈说：大爆炸理论符合圣经。

　　史蒂芬·霍金说：大爆炸和黑洞是不可避免的宇宙奇点。

　　史蒂芬·霍金说：黑洞并不黑，它不仅看得见，而且是白炽的。

　　史蒂芬·霍金说：在经典物理框架中，黑洞越变越大，但在量子物理框架中，黑洞因辐射而越变越小。

　　史蒂芬·霍金说：大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。因而上帝对宇宙的贡献消失殆尽。

　　史蒂芬·霍金与照顾他十几年并且笃信天主教的妻子离婚。

　　有人说史蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最伟大的天才，也有人说他是疯子。

　　史蒂芬·霍金是谁？



（二）史蒂芬·霍金


　　史蒂芬·霍金是英国理论物理学家，他的生日是1942年1月8日，这一天刚好是伽利略三百周年的忌日。1959年，17岁的霍金开始就读与牛津，并在剑桥跟随导师邓尼斯·西阿玛作博士论文。

　　然而就在这时，霍金被诊断患上一种叫做“肌肉萎缩性侧面硬化症”的疾病，这种病至今仍不能治愈乃至于控制它。史蒂芬·霍金最终只能永远坐在轮椅上并且失去了语言能力，一切生活完全依靠他的妻子简·瓦尔德照顾。但这位据称全身只有三个手指能动的残疾人，却依靠惊人的毅力，完成了一系列惊人的关于大爆炸和黑洞的理论，对量子物理作出了巨大的贡献，将宇宙伟大而神秘的背景展现给世人。他被广泛尊崇为继爱因斯坦之后最杰出的科学家。1974年，霍金被授予“剑桥卢卡逊数学教授”一职。

　　在就职典礼上，霍金十分费力地将名字签在名册上，而这本名册最前页的签名便是——伊萨克·牛顿。

　　霍金对物理学的毕生贡献便是证明了，在经典物理的框架中，大爆炸和黑洞是不可避免的，黑洞将越变越大；而在量子物理的框架中，黑洞却因为辐射越变越小。大爆炸和黑洞奇点不仅被量子效应所抹平，而且宇宙正是起始于此。霍金对科普的贡献则在于，他写了一部脍炙人口的读物——《时间简史》，该书荣登畅销书榜达一百多周，先后被译成三十三种文字，售出五百五十万册以上。

　　本文将以《时间简史》为主线，介绍史蒂芬·霍金的学说。



（三）我们的宇宙


　　宇宙是无比的神秘，以致于当每一个人抬头仰望星空的时候，他都会不禁想了解繁星点点的背后到底隐藏着什么。我们的祖先认为"天似苍穹，地如棋秤"，而古印度人的祖先认为大地是驮在一只大象的背上。

　　在公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，阐述了以下观点：

　　一、月食是由于地球的影子投到月球上所致。

　　二、由于月食时看到的地球的影子总是圆的，可以推断地球应该是一个球体，而不是圆盘状。

　　三、地球是宇宙的中心。太阳、月亮、行星和其它恒星分别附在八个天球上，以完美的圆形轨道绕地球旋转。

　　基督教将亚里士多德的理论完全接纳，认为与《圣经》的宇宙观一致，符合上帝创世的理论。这个宇宙模型的最大优点，就是在最外层的恒星天球之外，为天堂和地狱留出了空间。

　　1514年，教士尼古拉·哥白尼提出了“日心说”，认为太阳静止地位于宇宙的中心，而地球和其它的行星围绕着太阳作圆周运动。由于害怕教会的迫害，哥白尼只能秘密地传播他的学说。后来，伽利略观测木星时，发现木星的几个卫星围绕着木星旋转，这表明其它星球不一定围绕着地球旋转。继而开普勒修正了哥白尼的理论，用椭圆轨道取代了圆周轨道，使其很好的符合观测结果。他们的公开支持，最终宣告了亚里士多德学说的终结。

　　1687年，伊萨克·牛顿出版了举世闻名的《原理》。在书中提出了著名的万有引力定律。《原理》一书解决了物体如何在空间和时间中运动的问题。

　　人们利用他的理论，甚至可以精确地计算星球运行的轨道。

　　但是问题又出现了。根据万有引力定律，星球间总是相互吸引的，它们似乎不能保持大尺度上的相对静止，而终将落到一起。牛顿也意识到了这点，他解释说：如果有限颗行星分布在一个有限的区域中，这种情形的确会发生。但如果存在无限颗行星，均匀的分布在无限的空间，这种情形就不会发生，因为这时引力分布是均匀的，不存在任何一个使它们聚集的中心。

　　其实这是我们所经常遇到的一个理论陷阱。实际上在一个无限的宇宙中，每一颗恒星都可以看作是一个中心，因为在它的每个方向上都有无限多颗恒星。正确的方法应该是：先考虑有限空间的情形，恒星会坍塌到一起。在这个区域外均匀地加上更多的恒星。按照牛顿定律，这些加上的恒星对原先的区域没有什么影响，所以恒星还是会落到一起。我们任意地加上更多的星体，愿意加多少都可以，它们总是会坍缩到一点。换言之，宇宙的局部区域总是不均匀的，应该出现局部性的坍缩，并且这种趋势会逐渐扩大。而观测到的结果并不存在这种情形。

　　于是我们遇到了一个不小的问题：无限静态的宇宙不存在！



（四）奥伯斯佯谬


　　静态宇宙的观念是如此之强，以致于那些意识到引力理论导致宇宙不可能静态的科学家们并没有提出宇宙在膨胀，而是试图去修正他们的理论。甚至爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时，还非常肯定宇宙是静态的。因此他不得不在他的方程中引进一个所谓的宇宙常数来进行修正。他引入一个“反引力”，这个力是无源的，是空间－时间结构所固有的。他宣称，空间－时间内在膨胀的趋势，刚好可以平衡宇宙间各物质的相互吸引，结果形成了静态的宇宙。这个理论在以后被爱因斯坦称为是“一生中最不可原谅的错误”。

　　对于无限静止的宇宙首先发难的通常归功于德国哲学家亨利希·奥伯斯。1823年，他提出了著名的“奥伯斯佯谬”。他指出，如果宇宙是无限静止的和均匀的，那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗恒星上。那么我们不难想象，整个天空即使是在夜晚也会象太阳一样明亮。有人提出反驳：远处恒星的光线被它经过的物质所吸收而减弱。其实这看似有理的反驳是站不住脚的，因为吸收光线的物质将最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。无限静态宇宙只有一种情形能避免夜空象白天一样明亮，那就是：恒星不是在无限久远以前就开始发光。在这种情形下，光线所经过的物质尚未被加热，或者远处的恒星光线尚未到达地球。我们于是又面临着一个问题：是什么使恒星第一次发光？这就是人类探索了无数世纪的问题——宇宙起源。　　1781年，哲学家伊曼努尔·康德在他的里程碑式的著作《纯粹理性批判》中，深入的辨析了宇宙在时间上有无开端、空间上有无极限的问题，他称这个问题是纯粹的二律背反（即矛盾）。他论证道：如果宇宙没有开端，则任何事件前都必有无限的时间，这是荒谬的；而如果宇宙有一个开端，那么宇宙开端前是什么时间呢？康德认为正反两方面都存在令人信服的论据。事实上他的论证基于了一个隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间都可以无限地倒溯回去。但即将谈到的大爆炸学说将让我们理解：在宇宙开端之前的时间概念是没有意义的。



（五）宇宙在膨胀


　　20世纪的天文学家们利用恒星的光谱来研究恒星。由于每一种元素都有其特定的吸收谱线，使科学家们得以从恒星光谱分析出恒星的组成元素及温度。科学家们在研究这些光谱时发现了一个奇特的现象：所有光谱的线族都向光谱的红端移动了相同多的量。这意味着什么呢？

　　我们都有如下的经验，当鸣笛疾驶的汽车朝我们开过来的时候，笛声是高亢刺耳的；当车远离时，声调则变得低沉，这是因为声音的频率变高和变低所造成的。这个描述速度与频率之间关系的多普勒效应是不难理解的。光是电磁波，低频率出现在光谱的红端，而高频率在蓝端。光谱向蓝端移动，表明我们接收到的恒星的光波频率变高，这意味着恒星在向我们而来；如果光谱红移，则说明恒星离我们远去。

　　这里不得不提到一位伟大的人物——埃得温·哈勃。1924年，他通过观测证明了我们的星系并不是唯一的星系，他还算出了星系间的距离。

　　在做了大量的观测之后，他对这些星系的光谱进行了分类和统计。人们预料会发现与红移一样多的蓝移光谱，然而，哈勃的发现令所有的人跌破了眼睛——几乎所有的星系光谱都是红移的，而且红移的量也极有规律，与星系离开我们距离的平方成正比。也就是说，星系离开我们远去的速度与离开我们的距离成正比。星系越远，则离开我们的速度就越快。

　　人们惊讶地发现：宇宙在膨胀！

　　星系相对于地球的远离速度是如此的完美，以致于地球似乎又成了宇宙的中心，难道我们又退回到亚里士多德的理论了吗？其实不然。首先我们通过计算可以得出，物质的密度与距离的尺度无关，天体在大尺度上的分布非常均匀，天文观测也越来越证明了这一点。其次，通过伽利略变换（不同坐标系之间运动的变换）不难得出，在宇宙的任何一点都会看到，其它的星体在离该点远去，并且远去的速度和距离的平方成正比。这就象一个吹涨的气球，球上的任意两点都在相互离去，并且两点间的距离越大，它们彼此远去的速度就越快，但没有任何一点可以看作是膨胀的中心，事实上膨胀是非常均匀的。因此我们得出：“在宇宙中没有特殊的位置。每一个观察者看到的现象都是一样的。”这被称作“哥白尼原理”。



（六）三种宇宙模型


　　宇宙在膨胀是20世纪最伟大的发现之一。这个发现使人类几千年的宇宙观在仅仅不到半个世纪的时间里，发生了翻天覆地的变革。这些变革的新观念几乎是让人目瞪口呆的。以我们现在的知识来观察发现宇宙膨胀之前的宇宙观，我们将会发现之间的对比犹如静态宇宙观比之于地心说一样强烈。人们惊讶地发现，这个看似熟识的宇宙依然陌生。

　　宇宙将如何膨胀呢？膨胀下去的结果又将怎样呢？

　　1922年，当爱因斯坦仍在努力寻求广义相对论中平衡宇宙收缩趋势的引力常数时，前苏联数学和物理学家弗雷德曼却在广义相对论的基础上提出两个观点，即不论我们在宇宙中的任何地点观察，也不论我们向宇宙中的任何方向观察，宇宙看起来都是一样的。他指出，仅从这两个观念出发，我们就应该预料到宇宙不是静态的。他基于此建立的宇宙模型与后来哈勃的观测完全一致。

　　弗雷德曼模型有两个解。一个解是当宇宙膨胀得足够快时，引力仅仅使膨胀变得缓慢一点，而不能使之停止，宇宙将永远地膨胀下去；另一个解是宇宙膨胀得足够慢，以致于引力使膨胀最终停止，宇宙将收缩，并在星际间的引力作用下发生大挤压。也可以认为有第三种解，那就是宇宙的膨胀速率刚好快到可以避免坍缩。它与第二类解的不同之处在于，第三类解的宇宙是平坦的，而第二类解的宇宙是象拱形一样弯曲的。第三类解其实就是第二类解的特例。这两种解的宇宙，模型都是无限的。

　　而在第一类解中，我们看到了奇异性——宇宙在空间上不是无限的，并且是没有边界的。在这里笔者并没有写错，这种宇宙情形可以用我们的地球来帮助理解。地球的表面是没有边界的，但体积却是有限的，只不过地球表面是二维的，而宇宙空间是三维的。第一类宇宙模型的引力是如此之强，以致于空间被折弯而绕回到自身。

　　这的确是一个科幻小说的好题材，一个人绕宇宙旅行一周后又回到了出发点。然而霍金告诉我们：“这实际上并没有多大意义，因为一个人还没有来得及绕一圈，宇宙已经坍缩到了零尺度。你必须旅行得比光波还快，才能在宇宙终结之前回到你的出发点——而这是不允许的！”

　　对于时间来说，这类解也是有限的，而且它有开端和终点，如同一条绳子的两端，也就是有边界的。我们在以后将会看到，当人们将广义相对论与量子力学结合起来的时候，我们就可以将这条绳子的两端连起来，使时间和空间都成为有限的，并且是无界的。

　　那么我们的宇宙符合哪一类解呢？这要由我们目前观测到的宇宙的平均质量密度来决定。我们现在观测到的所有星体质量的总和尚不到阻止膨胀所需临界质量的1%，即使将那些我们观测不到的星系间的暗物质考虑进去，全部的质量也未达到停止膨胀所需密度的十分之一。这些结果暗示着，我们的宇宙可能会以当前这种几乎是临界的速率永远地膨胀下去。



（七）相对论


　　鉴于以后的章节所涉及的内容，这里有必要用一点时间介绍一下相对论。

　　应该说后来一切不可思议的变革都是从“光速不变原理”开始的。

　　首先人们意识到光速是有限的。1676年，丹麦天文学家欧尔·克里斯琴森·麦罗发现，木星的卫星不是以等间隔的时间从木星背后绕出来，木星由于公转离开地球越远，则时间间隔就越长。他指出，因为木星离开我们越远时，光从木星发出后到达地球所需的时间就越长。这表明光不是无穷快的。

　　将近两200年之后，英国的物理学家詹姆斯·麦克斯韦于1865年提出著名的“麦克斯韦方程”。这个描述电磁波的方程成为光传播的真正理论。该理论预言，电磁波应以某一固定的速度运动。但牛顿力学已经摆脱了绝对静止的观念，速度是相对的，那么光速选择哪个参照物来测量呢？于是人们提出，在真空中存在一种弹性极好的物质——“以太”，光是以它为介质传播的。1887年的“麦克尔逊——莫雷实验”却打破了人们的这一假说。这两个人在地球自转的切线方向和垂线方向上分别对光速进行精确的测量。他们预想切向上测得光速将大于法向上测得的结果，而结果是这两个光速完全一样。

　　这之后，一位叫做阿尔伯特·爱因斯坦的瑞士专利局职员在他的一篇论文中指出，如果人们愿意抛弃绝对时间的观念，那么整个以太的概念完全是多余的。这一年是1905年，这篇论文就是赫赫有名的“狭义相对论”。爱因斯坦指出，当光从光源发出后，任何匀速运动的观察者都将测量到同样的光速。光速不变原理使原来人们从未怀疑过的绝对时间化为乌有，并进而得出运动尺变短，运动钟变慢的推论。

　　其实光速不变原理在生活中随处可见，只是人们从未意识到这一点。

　　譬如一个人朝我们掷一石块，那么石块离开手时的速率是最快的。如果光速与光源的速率可以叠加的话，石块出手时的光速应该大于在这之前的光速，因此我们将看到石块先出手，然后才看到投掷的动作。这显然与我们日常的经验不符。

　　至于光速为什么会有这种特性，爱因斯坦在思考了多年后说：“光很奇特，但我们并不必对其穷究，因为它就是那样一种物质。”

　　但狭义相对论与引力理论存在不相协调之处。引力理论指出：物体间的吸引力依赖于它们之间的质量和距离，这就意味着如果我们移动一个物体，另一个物体所受的引力就会立即改变，这种情形下引力效应就将以无限的速度传递，而不象狭义相对论所要求的那样，只能低于光速。

　　在经过多次失败的尝试之后，爱因斯坦终于提出了革命性的“广义相对论”。

　　广义相对论指出，引力不同于其它的力，“它是由于物质质量的存在而发生的空间-时间的扭曲。”例如我们的地球，在广义相对论看来，它并非是由于引力的作用而沿着椭圆轨道运动，而是沿着弯曲的空间中最接近直线的被称为“测地线”的轨迹运动。（我们在地面上以直线行走，实际上走的是地球球体表面的一段弧，该弧所在平面穿过地球球心，这段弧称为测地线。这是地球表面最接近直线的轨迹。）这条轨迹是地球在不平坦的空间-时间中走过的最短距离。由于太阳质量所引起的空间-时间的弯曲，虽然在四维的空间中地球以直线运动，但我们在三维的空间中看起来却是沿着一个椭圆周在行进。

　　这就好比一架飞机在山区上空飞行，它虽然在三维空间中以直线行进，但它在崎岖的二维地面上的投影却是沿着弯曲的轨迹运动。同样，光也必须沿着测地线走，它也不能避免被引力场所折弯。在以后讲述大爆炸和黑洞奇点的章节中，我们将会对此有更深的体会。



(八)大爆炸


　　让我们回到弗利德曼的宇宙模型上来吧。所有弗利德曼的解都有一个共同的特点，那就是在大约150～200亿年前，宇宙中的所有星系都聚集在一点，这就是所谓的“大爆炸”。该时刻的宇宙密度及其空间——时间的曲率均为无穷大。换言之，弗利德曼宇宙模型所依据的广义相对论预言了宇宙中存在大爆炸奇点，在该奇点处，所有的科学定律全部失效——因为数学上无法处理无穷大数。如果大爆炸时刻前存在着事件，那么它们不会对大爆炸之后的事件造成任何影响，而依据大爆炸前发生的事件对大爆炸后作出判断的科学预见性也不存在。这就是说，大爆炸形成宇宙之前的时间是没有意义的，或者说，发生在大爆炸之前的事件不可能有后果，所以并不构成我们现在宇宙模型的一部分。

　　这个结论最初很难被大多数人所接受。宇宙和时间都有个起点，这不免带有神干涉的色彩。如同牛顿将最初使星体运动起来的“第一推动”归功于上帝一样，天主教抓住了这个机会，宣布“大爆炸”理论符合圣经。

　　许多人为了回避宇宙被创生这一问题，不断地试图寻找稳态宇宙的理论，但几乎每一种新的解释都存在着致命的问题。越来越多的证据显示，“稳态理论”必须被抛弃！

　　如果早期的宇宙物质彼此靠得非常近，那么早期的宇宙应该是异常炽热的。1965年，美国物理学家罗伯特·狄克和詹姆斯·皮帕尔斯提出，我们应该仍然能看到宇宙早期的白热，那是200亿年前宇宙炽热的辐射经过了漫长的旅行，恰好现在才到达地球，只不过由于宇宙的膨胀使这些光波如此厉害地被红移，以致于只能作为微波辐射被我们观察到。同一时间，在美国新泽西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着他们。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，我们这个膨胀着的宇宙过去必须存在着一个大爆炸奇点！

　　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。随着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”。

　　事实上存在着这样一种情形：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着无限大密度和空间——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半径时，它发出的引力场是如此之强，使得光波被散开到无限长的时间间隔内。在黑洞外的观察者则会看到，恒星发出的光越来越红，越来越淡，最终再也看不到这颗恒星了。这是一个名副其实的黑的“洞”！



（十）黑洞不寻常的性质


　　研究黑洞的性质，有助于我们同时理解大爆炸奇点，因为他们之间实在是太相似了。

　　广义相对论预言，运动的有质量的物体（光子等轻子是没有静止质量的）会导致引力波的辐射，它是以光速传播的空间——时间的涟漪。如同物体辐射出的光子带走了它们的能量一样，物体辐射出的引力波同样将带走它们的能量，因此物质系统将最终会趋向于一种稳定的状态。这好象往池塘里扔一块木头，使水面产生涟漪。涟漪将木块的能量带走，使木块最终平静下来。地球围绕太阳公转而产生的引力波使地球能量损失，其轨道逐渐改变并最终落到太阳上，只是这种能量损失极小，要过一千亿亿亿年才会相撞。

　　当恒星坍缩成黑洞时，运动会快得多，这时能量的损失也快得多，所以坍缩过程将很快达到不变的状态。这种不变的状态是如何的呢？由于坍缩之前的恒星的状态是多种多样的，包括它的物质形态、质量、旋转速度及恒星内部的复杂运动等等，似乎对坍缩的最终状态很难作出预言。

　　加拿大科学家外奈·伊斯雷尔在1967年的研究非常出人意料。他指出：“根据广义相对论，不旋转的黑洞必须是非常简单的、完美的球体，其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个不旋转的等质量黑洞必定是完全相同的。”

　　最初，包括伊斯雷尔在内的许多科学家认为，既然黑洞只能是完美的球形，那么黑洞应该由具有完美球形的物体坍缩而成。然而任何恒星都不是完美的球形，所以黑洞只能坍缩为一个点。

　　而罗杰·彭罗斯等人提出了另外一种解释：恒星坍缩的快速运动释放出来的引力波使恒星越来越接近球形，当它最终达到静态时，就成为精确的球体。因此，“任何不旋转的恒星，无论其组成物质、质量和内部结果如何复杂，在其引力坍缩后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。”这就是著名的“黑洞无毛”定理。这个观点得到了进一步的计算支持，并很快为大家所接受。

　　与此同时，新西兰科学家罗伊·克尔计算出广义相对论中描述旋转黑洞的一族解。这些解表明，黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转速度，旋转速度越快，黑洞的赤道部分就越鼓（这和地球、太阳等星体是一样的）。如果旋转为零，黑洞就是完美的球体。伊斯雷尔的发现其实就是克尔解中的特解。

　　“黑洞没有毛”意味着，物体复杂的和大量的特征信息在形成黑洞的过程中损失了。我们将在下章中理解它的意义。

　　黑洞在科学史上是一个特殊的情形，它作为数学模型已经发展到极为详尽的地步，但至今仍没有100%肯定的观测证据来证明它。1963年发现了一个暗淡的类星体红移。这个红移是如此之大，如果看作是引力红移的话，那么它的质量应该很大，而且离我们很近，以致于会干扰太阳系的行星运动。所以它只能是宇宙膨胀引起的红移。红移很大则说明它离我们很远。如果在这么远的距离还能被我们观察到，那么它一定非常亮，也就是说它必须辐射出大量的能量。这么大的能量不可能仅仅是一个恒星发出的，它很可能是一个星系整个中心区域的引力坍缩。人们发现了很多这样的类星体，但它们都离我们非常远，由于很难观测而不能为黑洞提供结论性的证据。

　　1967年中子星的发现为证明黑洞的存在带来了鼓舞。因为中子星的半径约10英里，只是黑洞坍缩临界半径的几倍而已。恒星能坍缩到更小尺度应该是理所当然的。

　　由于光线无法从黑洞中逃逸，因此观测黑洞有些象在漆黑的夜里寻找黑猫。但值得庆幸的是，黑洞的引力效应仍将作用到其临近的星体上。人们观测到一些伴星系统是由一颗可见恒星和一颗不可见恒星互相围绕旋转组成。这类系统中的有一些是强X射线源。对这种现象最好的解释是，物质从可见星的表面被吹起来并落向不可见的伴星，这些物质在强大的引力作用下发展成螺旋轨道（如同水从浴缸中流出的情形），同时变得非常热而发射出X射线。这颗不可见伴星必须小到象白矮星、中子星或黑洞那样，才能引发上述机制。“天鹅X-1”就是这样一个伴星系统。通过对其可见星轨道的研究，科学家们推算出了不可见星的最小质量——大约是太阳的6倍。按照强德拉塞卡的结果来看，它只能是一个黑洞。

　　宇宙漫长的岁月中，许多恒星应该已经耗尽了燃料并且坍缩了。黑洞的数目甚至比可见星还要多得多。以我们的银河系为例，巨大数量的黑洞的额外引力就可以解释为何银河系会有如此的转动速率，仅考虑可见星的质量是不足够的。某些证据说明，银河系中心有非常巨大的黑洞，其质量大约是太阳的10万倍。恒星若是太靠近这个黑洞，它近端和远端的引力差就会将它撕开，并被黑洞吸引而落到上面去。

　　虽然落到黑洞上的物质没有象“天鹅X-1”那样热到发出X射线，但可以用来说明在银河系中心观测到的非常紧致的射电源和红外线源。

　　在类星体的中心被认为是质量更大的黑洞，大约是太阳质量的1亿倍。当物质旋转落入黑洞时，它将使黑洞向同一方向旋转，使黑洞产生强大的类似地球的磁场。落入黑洞的物质会产生高能的粒子，它们在黑洞强磁场的作用下聚焦，形成沿黑洞北极和南极方向向外喷射的粒子流。在许多星系和类星体中我们观测到了这种射流。

　　也可能存在着比太阳质量小得多的黑洞。它们由于低于强德拉塞卡极限而不可能由引力坍缩形成，只能由巨大的压力压缩而成。在早期宇宙的高温高压条件下会产生这样的小黑洞。一个质量在10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞可以由于对其它可见物质的影响而被观察到。我们在下一章将会看到，也许小的黑洞比大的黑洞更容易被探测到。



（十一）黑洞并不黑！


　　由于大爆炸和黑洞奇点是如此的小，以致于其尺度趋向于零，所以科学家们不得不考虑其量子效应。在使用量子力学的理论对黑洞进行分析时，黑洞令人完全意想不到的性质被逐步揭示出来。我们将会看到，我们生活的宇宙比我们想象的还要神秘，并且十分完美。

　　1970年，霍金博士意识到并且成功证明了“黑洞边界定理”——当有物质落到黑洞中，或两个黑洞相撞并合并成一个黑洞时，新黑洞的“事件视界”面积将大于或等于原先黑洞“事件视界”面积的总和。

　　霍金博士为此发现激动不已，并认为是自己值得骄傲的几个发现之一。

　　相信一定有人会问：“1+1=2离奇在哪里？”我们不要忘记黑洞的特殊性质。前面我们已经谈及，黑洞是一个区域，从黑洞中发出的光所能到达的最远距离就是黑洞最外层的边界，也就是“事件视界”。

　　掉进黑洞中的物质再也没有任何信息能被我们所观察。在经典的定义中，黑洞是一个极为特殊的区域，我们所观察到的现象是“0+1=0”，掉进黑洞的物质犹如进入了另外一个世界般地彻底消失。因此黑洞边界不减的发现有重大的意义。

　　我们再用热力学来分析一下就会更清楚了。

　　热力学第二定律指出：“一个孤立的系统的熵总是增加的，并且两个系统合为一个系统时，其合并系统的熵大于所有单独的熵的总和。”（熵就是物质运动的无序度、混乱度）例如有一个被中间的一个挡板分割为两半的密封盒子。盒子的左半部充满空气，右半部真空。当抽去挡板后，气体分子会均匀地充满整个盒子。由于气体所占的体积增大了，它的无序程度也就增加了，我们说气体的熵增加了。

　　如果盒子的左半部充满氧气，右半部充满氮气。当把挡板抽去后，两种气体将均匀地混合并充满整个盒子。这种状态比原先分开的气体的状态更无序，熵也增大了。

　　我们不妨设想，如果这些气体落到了黑洞里，由于我们无法测量到黑洞中的状态，只能认为黑洞没有熵，那么黑洞外界的总熵就会减小，换句话说，宇宙的总熵减小了。这无疑使体系严密而完整的热力学十分尴尬。我们固然可以说，将黑洞里的熵也考虑进去的话，宇宙的总熵并没有降低——但我们需要一个标志黑洞熵的物理量。

　　黑洞事件视界不减的性质使我们不禁联想到，事件视界面积就是黑洞的熵。

　　虽然二者之间有很多相似之处，但是将二者等同起来还有一个致命困难：任何一个具有熵的物体都将有温度——假如黑洞有熵的话，也将不能例外；而且有温度的物体必然向外发出辐射。这与黑洞的定义显然矛盾。

　　前苏联的两位科学家雅可夫·捷尔多维奇和亚历山大·斯塔拉宾斯基在1973年根据量子力学的不确定原理计算出，旋转黑洞应产生并向外辐射粒子。同年，霍金计算出即使是不旋转的黑洞也以不变的速率产生和辐射粒子，而且令人惊奇的是，黑洞辐射出的粒子谱刚好是一个非常准确的热谱（热的物体辐射的谱），显示着黑洞正以严格的速率辐射粒子以保证热力学第二定律不被违反。霍金等人的研究使大家看到，黑洞具有有限的熵，因为它能以一个不为零的温度保持热平衡，而这个熵恰恰就是黑洞的事件视界面积！

　　经典物理学中定义黑洞不能向外发出辐射，而量子力学却允许粒子从黑洞中逃逸出来，这种现象如何解释呢？霍金作了如下解释来帮助人们理解。

　　由于量子力学的不确定性原理指出，粒子的位置和速率不能同时被测出（爱因斯坦所谓的“上帝在掷色子”），因此我们的宇宙空间不能是“真空”，否则就意味着引力场和电磁场等必须恰好为零，那么它们的数值和时间变化率将同时被固定为零，这违反了“测不准原理”。

　　既然场不为零而且“测不准”，那么场的数值就会有一定的起伏，人们将这些量子起伏理解为光或引力的粒子对。它们同时出现并互相离开，然后又互相靠近而湮灭（这种量子起伏已经被实验精确地证明）。这对正反粒子中一个粒子的能量为正，另一个能量为负，其能量和为零以遵守“能量守恒定律”。如果这对粒子恰好在黑洞的边缘出现，其中一个粒子落入黑洞里，另一个粒子由于找不到相互湮灭的“伴侣”而获得自由逃逸出去。对于在远处的观察者来说，这就象是从黑洞中辐射出来的一样。

　　我们知道，一个物体越靠近引力场的中心，它的能量就越小，因为远处的物体需要花费更大的能量来抵抗吸引力，尽管如此物体的能量仍然是正的。而黑洞的引力场是如此的强，以致于落入它里面的粒子的能量变为负值，这就使黑洞的总能量减少。根据爱因斯坦著名的“质能方程”——E=mc^2，落入黑洞的质量由于能量的减少而减少，黑洞的事件视界面积随之减小。从黑洞外观察，黑洞辐射产生的熵补偿了物质落入黑洞而减少的熵；从整个宇宙的范围考虑，质量守恒、能量守恒及热力学第二定律均被不折不扣地遵守着。

　　由于黑洞质量越小，其引力场就越小，粒子逃逸的过程就变得越容易，因此黑洞粒子的发射率和其表观温度就越大。黑洞向外辐射粒子导致黑洞质量减小，进一步导致了辐射速率和温度的上升，因而黑洞的质量就减小得更快！当黑洞的质量变得极小的时候，它将在一个巨大的、相当于几百万颗氢弹爆炸的发射中结束自己的历史！

　　具有太阳质量的黑洞只有千万分之一度的绝对温度，这要比2.7K的宇宙微波辐射温度低得多，所以这种黑洞的辐射小于吸收。如果宇宙永远膨胀下去，微波辐射的温度最终将减小到比这种黑洞的还低，黑洞就将开始损失质量。它的温度实在太低了，以致于需要一百亿亿亿亿亿亿亿亿（1的后面跟66个0）年才蒸发完，这远大于宇宙的年龄了！而我们上一章谈到的太初黑洞更高的温度。一个10亿吨的太初黑洞的尺度只有10的负13次方厘米的半径（质子的尺度），它的寿命大体和宇宙相同，而比这质量还小的黑洞已经蒸发完毕；比它稍大的黑洞仍在发射着X射线或伽玛射线，其能量相当于十个大型核电站的功率。不管你相不相信，这些黑洞并不黑，正相反，它们是白热的！

　　科学家们计算出，每立方光年中又大约300个太初黑洞。由于它们辐射出的伽玛粒子的极少，因此观测它们十分困难。

　　我们在这一章中看到，科学定律并没有在黑洞奇点处完全失效。这使我们看到了希望，也许奇点可以避免！



（十二）宇宙的生命历程


　　对黑洞的研究同时使我们了解了大爆炸，两者在性质上基本一致，只不过大爆炸是发生在一个极大的尺度上，并且是黑洞的时间反演而已。

　　让我们回顾一下前面章节论述到的宇宙特性。

　　宇宙在不停地膨胀，星体距离我们越远，则离我们而去的速度就越快。在大约150~200亿年以前这些星体是聚集在一点的，这就是大爆炸奇点，它的密度和空间——时间曲率均为无穷大，因此一切科学定律在此奇点处完全失效。宇宙中还存在着另一种奇点，它们是由已经“死亡”并发生引力坍缩的恒星形成的，其密度和时空曲率也时无穷大；在其强大的引力场的作用下，即使物体以光速运动也不能脱离它而逃逸到无穷远处，我们将这种星体称为“黑洞”。对黑洞的研究使我们发现，黑洞没有毛——一颗不旋转的黑洞只能是完美的球体。

　　当使用量子力学的观点来研究黑洞，得到了惊人的结果——黑洞正在向外辐射粒子而使自己具有表观温度，而一颗10亿吨左右的黑洞甚至是白热的！

　　现在让我们来看看200亿年前发生了什么事情！

　　在大爆炸时刻，宇宙的体积是零，所以其温度是无限热的。大爆炸开始后，随着宇宙的膨胀，辐射的温度随之降低。大爆炸1秒钟之后，温度降低到了100亿度，这个温度是太阳中心的1千倍。此时的宇宙中主要包含光子、电子、中微子和它们的反粒子（光子的反粒子就是它本身），以及少量的质子和中子。。此时粒子的能量极高，它们相互碰撞并产生大量不同种类的正反粒子对。这些正反粒子对碰到一起时又会湮灭。但此时它们的产生率远大于湮灭率。

　　顺便一提的是，中微子和反中微子之间以及它们和其它粒子之间的相互作用非常微弱，所以它们并没有互相湮灭掉，以致于直到今天它们仍然存在。中微子的质量被认为是零，但1981年前苏联和1998、1999年日本的研究显示，中微子可能具有微小的质量。如果被证实的话，有助于我们间接地探测到它们。它们是“暗物质”的一种形式，具有足够的引力去阻止宇宙的膨胀并使其坍缩。

　　宇宙继续膨胀，温度的降低使得粒子不再具有如此高的能量。它们开始结合。与此同时，大部分正反电子相互湮灭，并产生了更多的光子。大爆炸100秒后，温度降到了10亿度，这相当于最热的恒星的内部温度。质子和中子由于强相互作用力（核力）而结合。一个质子和一个中子组成氚核（重氢）；氚核再和一个质子和一个中子形成氦核。根据计算，大约有四分之一的质子和中子转变为氦核，以及少量更重元素，如锂和铍。其余的中子衰变为质子，也就是氢核。

　　几个钟头之后氦和其它元素的产生停止下来。在这之后的100万年左右，宇宙什么也没有发生，只是膨胀。当温度降低到了几千度时，电子和原子核不能再抵抗彼此间相互的吸引力而结合成原子。由于宇宙存在着小范围的不均匀，区域性的坍缩开始发生。其中一些区域在区域外物体引力的作用下开始缓慢的旋转。当坍缩的区域逐渐缩小，由于角动量的守恒，它自转的速度就逐渐加快。当区域变得足够小时，自转的速度足以平衡引力的作用，象我们银河系这样的碟状星系就诞生了。另外一些区域由于没有得到旋转而形成椭圆形星系。这种星系的整体不发生旋转，但它的个别部分稳定地绕着它的中心旋转，因而也能平衡引力坍缩。

　　由于星系中的星云仍有不均匀性，它们被分割为更小的星云，并进一步收缩形成恒星。恒星由于引力坍缩产生的高温引发核聚变，聚变产生的能量又抵抗了继续收缩的趋势，恒星进入稳定地燃烧。质量越大的恒星燃烧的越快，因为它需要释放更多的能量才能平衡自身更强的引力。它们甚至会在1亿年这样短的时间里耗尽自己的燃料。

　　恒星有时会发生被称为“超新星”的巨大喷发，这种喷发令其它一切恒星都显得黯淡无光。这时一些恒星在晚期产生的重元素就会被抛回到星系中，并成为下一代恒星的原料。我们的太阳就是第二或第三代恒星，它含有大约2%的这种重元素。还有少量的重元素聚集并形成了绕恒星公转的行星，我们的地球也是其中之一。

　　对于宇宙的起源，我们仍然有很多问题：第一、为什么宇宙在大尺度如此的均匀？背景辐射的温度也一样？除非宇宙的不同区域刚好从同样的温度开始！第二、又为什么我们的宇宙会以如此接近临界的速率膨胀？如果它在大爆炸后1秒钟的时刻其膨胀速率只要小十亿亿分之一，那么我们的宇宙早以坍缩！第三、我们的宇宙非常光滑和规则，而从概率上来讲，紊乱的和无规则宇宙的数量应该占绝对优势，因为宇宙初始状态的选择是随机的。我们为何恰巧遇到这样渺茫的几率呢？

　　为了解释这些现象，麻省理工学院的学者阿伦·固斯提出了“暴涨宇宙模型”。他认为，早期的宇宙不是象现在这样以递减的速率膨胀，而是存在着一个快速膨胀的时期，宇宙的加速度膨胀使其半径在远远小于1秒钟的时间里增大了100万亿亿亿（1的后面跟30个0）倍。

　　固斯认为，大爆炸的状态是非常热和相当紊乱的。这些高温表明宇宙中的粒子具有极高的能量。在如此的高温下，强相互作用力、弱相互作用力和电磁力都被统一成为一个力；当宇宙膨胀并变冷，力之间的对称性由于粒子能量降低而被破坏，强力、弱力和电磁力变得彼此不同。这就好象液态水在各个方向上性质都相同，而结冰形成晶体后，就变成了各向异性，水的对称性在低能态被破坏了。

　　当宇宙暴涨时，它所有的不规则性都被抹平，就如同吹涨一个气球时，它上面的皱摺都被抹平一样。

　　暴涨模型还能解释为什么宇宙中存在着这么多物质。在量子理论里，粒子可以从“粒子——反粒子对”的形式从能量中创生出来。这些粒子和反粒子具有正能量，而这些粒子的质量产生的引力场具有负能量（因为靠得较近的物体比分开得较远的物体能量低），宇宙的总 能量为零，这保证了能量守恒不被破坏。零的倍数仍然为零，在暴涨时期宇宙体积急剧加倍的过程中，可以制造粒子的总能量变得非常之大，以致于我们的宇宙现在大约拥有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿（1后面跟80个零）个粒子。固斯是这样形容这件事的：“宇宙是最彻底的免费午餐！”



（十三）奇点消失了！


　　值得注意的是，既然粒子是以成双成对的出现，为什么我们今天看到的粒子比反粒子多得多？以致于尚未发现天然的反粒子，仅在粒子对撞实验中证实了它们的存在。

　　我们知道，在量子力学中有三个分别叫做C、P、T对称。C（电荷）对称的意义是，科学定律对于粒子和反粒子（与粒子的电荷相反）都是相同的。P（宇称，也称作镜象）对称的意义是，科学定律对于某一情形及其镜象（例如右手方向自旋的粒子镜象为左手方向自旋的粒子）是不变的。T（时间）对称的意义是，科学定律对于前进或后退的时间方向都是一样的，也就是说，如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向，系统应该回到原先的样子。

　　人们对这三个对称深信不疑，认为这是宇宙完美的体现。直到1956年，华裔物理学家杨振宁和李政道发现，弱相互作用力不服从P（宇称）对称，他们的同事吴健雄女士用实验证明了这一点。她将放射性元素的核在磁场中排列，使它们的自旋方向一致，然后看到电子在一个方向上比在另一个方向上发射出更多。杨振宁和李政道获得了次年的诺贝尔奖，非常有争议的是，获奖者却不包括吴健雄。杨李二人提出将奖金与吴健雄平分，但被吴谦逊地推却了。他们是我们华人的骄傲！

　　杨、李的发现意味着弱力使宇宙镜象的发展不同于我们宇宙！人们还发现。弱力也不服从C（电荷）对称，也就是说，由反粒子构成的宇宙和我们的宇宙不同！当时杨和李认为弱力服从CP联合对称——将所有的粒子以反粒子代替，由此构成的宇宙的镜象，其行为和我们的宇宙相同。然而1964年美国人J.W.克罗尔和瓦尔·费兹发现，在K介子的衰变中，甚至连CP联合对称也不服从！他们也因此获得诺贝尔奖。他们进一步得出推论：由于数学定理证明了科学定律必须服从CPT联合对称，我们将不难理解：如果定律服从T对称，同时不服从CP联合对称，那么定律将无法服从CPT联合对称——而这种对称是被数学定理证明了的。我们不得不接受这个事实——定律在时间方向颠倒的情况下必须改变，也即科学定律不服从T（时间）对称！

　　虽然看似牢不可破的对称守恒已经终结，但我们对宇宙的疑问也得到了合理的解释。由于量子力学和相对论的不服从上述对称，在大爆炸及宇宙早期的膨胀过程中，虽然粒子成对产生，但粒子向其它种类转变时是不对称的——反电子变成夸克要比电子变成反夸克容易，于是早期宇宙产生的粒子中夸克和电子的数目就多于反夸克和反电子。当反夸克和反电子找到“同伴”并与之湮灭后，宇宙中过剩的夸克和电子就留了下来，组成了我们今天看到的宇宙以及我们自己。

　　在这里简单介绍一下夸克。夸克是构成质子、中子等“基本粒子”的更小粒子，它们有六种“味”——上、下、奇、魅、底、顶，每种味又具有三种“色”——红、绿、蓝。每个质子或中子由三个夸克组成，每个夸克一种颜色。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克;而一个中子包含一个上夸克和两个下夸克。奇夸克、魅夸克、底夸克、顶夸克也可以构成粒子，但这些粒子质量都较大，会很快衰变为质子或中子。

　　夸克之间由强相互作用力束缚在一起，这种力由一种叫做胶子的粒子携带。强力有一种叫做“色禁闭”的古怪性质，它总是将粒子结合为无色的状态。例如一个红夸克只能和一个绿夸克以及一个蓝夸克结合在一起（红+绿+蓝=白）。因此我们不能得到单独的夸克。另一种可能性是夸克和反夸克相结合在一起（红+反红=白，余类推），这种粒子被称为介子。介子是不稳定的，因为正反夸克会湮灭而产生电子和其它粒子。胶子也有颜色，因此我们只能看到由几个胶子组成的被称为胶子团的不稳定粒子。

　　色禁闭既然使我们不能看到单独的夸克或胶子，那么把夸克和胶子作为单独的粒子来研究就有点想象的成分了。事实上，如果在高能的状态下，强力相对来讲变得弱得多，夸克和胶子的行为就会象自由粒子那样了。科学家们也的确拍到了高能粒子碰撞后释放出来的自由夸克。

　　1981年在梵蒂冈举行的一次宇宙学会议上，教皇作了演讲。他宣称：“大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但我们不应该去过问大爆炸本身，因为那是创生的时刻，因而是上帝的事务。”

　　然而奇点定理的真正意义在于指出了引力场必然会强到某种程度，使我们不能再忽视量子力学的效应。当采用量子力学的观点来研究奇点理论时，以霍金为首的科学家们加入了“虚时间”（用数学中的虚数计量的时间）的概念。虚时间是基于费因曼的“对历史求和”原理。所谓“对历史求和”是指粒子可以沿着任何时空中的任何路径前进。该原理是从“测不准原理”推导出来的。

　　让我们看看虚时间所揭示的情形吧。如果时空从一个奇点（例如“大爆炸”）开始向前发展，那么它将沿着任何可能的路径延伸，结果时空将形成一个封闭的曲面（例如球面）。时空将如同我们的地球一样——当宇宙膨胀的最大尺度就是“时空赤道”，而大爆炸和大挤压是“时空北极”和“时空南极”，这就形成了一个有限但无界的曲面。它们如同地球的南北极一样，虽然纬度为零，但比起地球上的其它点来说并没有任何奇异之处。通常的科学定律在这里同样有效，我们不用针对奇点提出新的理论，因为量子力学中没有任何奇点。

　　我们看到，在虚时间中，奇点消失了！

　　随着黑洞向外辐射粒子，导致黑洞最终蒸发殆尽。它会形成一个微小的并且是自足的“婴儿宇宙”。霍金研究发现，这种“婴儿宇宙”可以从时空分岔中重新回到我们所在的区域，这种情形在我们看来则是物质落入黑洞中，并且从另一个黑洞中被辐射出来。虽然这些物质回到了我们的区域，但其形态已经完全不同，甚至其粒子的种类也大相径庭，唯一相同的是它们的质量和能量。大爆炸和黑洞的周而复始就是宇宙的循环往复。

　　空间——时间形成一个在尺度上有限而没有任何边界的曲面，这个论断对于上帝在宇宙事务中所扮演的角色非常不利。时空没有边界，也就没有使科学定律失效的奇点，所以也我们不需要上帝来给定宇宙的定律和边界条件——因为宇宙的边界条件就是“没有边界”！正如霍金教授精辟的指出：

　　“宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在！”


　　
（十四）结篇：物理学的未来--大统一理论


　　科学家们一直试图寻找一个单一的理论来完整的描述我们的宇宙，这是爱因斯坦的梦想，他晚年的致力于这方面的工作，但是由于当时的科学条件，他的梦想没有实现，。爱因斯坦拒绝相信量子力学的真实性，虽然他在量子力学的建立和发展中起了极其重要的作用。他难以接受“测不准原理”，并认为“上帝不会掷色子”。然而霍金声称：爱因斯坦错了——量子力学是宇宙理论的一部分，上帝的确是在掷色子！

　　有人说：如果爱因斯坦的最后十五年在太平洋的一个小岛上钓鱼，那么对当代物理学没有丝毫的影响。不错，爱因斯坦最后阶段的研究离开了主流的研究方向，他在自己的研究中实现自己的理念。他在晚年无不遗憾地对好友说：“看来这项工作我完不成了……”但世人仍然为他的精神所感动！而现在看来，大统一理论已经初见端倪。科学家们已经在实验中证明，在大于100吉电子伏的能量下（这个能量被称为“弱电统一能量”），弱力和电磁力之间的差别完全消失！同时科学家们预测，当能量更大时（大约在一千万亿吉电子伏）——我们称为大统一能量——强力、弱力、电磁力的差别将消失，这三种力的统一就是“大统一理论”。

　　但这还不够，因为引力场和这三种力尚不协调，或者说广义相对论和量子力学尚不完全协调。对黑洞和大爆炸的研究，已经使我们掌握了很多这方面的知识，霍金教授对于找到终极理论表示了谨慎的乐观。也许我们有机会看到用一组单一的方程来描述整个宇宙。

　　在此我要表达我对与疾病作顽强斗争的霍金教授的由衷敬意，正是他和伽利略、爱因斯坦这些科学斗士改变了我们对宇宙的认识。伽利略的梦想实现了，爱因斯坦和霍金的梦想也终将会实现，这一天离我们已经不再遥远！