Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 第十九章　黑洞宇宙 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年10月26日08:25:17 星期天), 站内信件


    路很长，临近尽头尤甚。

    　　　　　　　　　　　　　　 --迪·阿伦（Woody Alien）

    这最后一章　是用宇宙整体的眼光来看黑洞的时候了。我们已经寻找了比原子
还小的微型原初黑洞的光亮，我们已经看到了半径为10公里上下的恒星级黑洞的诞
生，我们也已经同尺度像太阳系那么大的巨型黑洞打过了交道，只剩下一个问题要
问：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、氛和氦，它们不是在恒星中产生的）
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（与某些宇宙学家也有的流行观
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《'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，不妨叫做大挤压。

    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（Freeman Dxson）和伦敦大学
的雅玛尔·伊思兰（Jamal Islam）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》入剑桥大学出版社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102'年里
，所有已熄灭的恒星都将聚集在星系中心，成为10'他弹量的大黑洞。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10"Mpe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10e'年里蒸发光，星系级巨型黑洞需要100'年
，超巨型黑洞则需要10'历年。作为能量和滴的最后蓄积，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（以"合格"的黑体辐射的形式，见第15章）。


    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，而是会在大约收'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一收缩宇宙的后果。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。请
读者回想图47这一智力杰作，即是一颗坍缩的球形恒星内部和外部的时空图。外部
是史瓦西几何片，而内部的几何则有赖于恒星物质的状态方程。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（图中的斜线区）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102M质量的"超级恒星"的目力坍缩而形成
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。膨胀一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。这种行为可能有一天会在所有
基本相互作用的统一理论中出现，在这种理论中引力奇点已被消除（见第12章）。


    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，作千百次
的测量，而不是依靠那些过于优美的主意和理论。

    已经到了本书的结尾，我们学到了什么东西呢？我想是的，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 Mae比rlink）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。

    　跪赫罗图

    丹麦天文学家埃纳·赫兹普隆（巳nar Her坡prung）和美国普林斯顿大学天文
学家亨利·罗素（Henry Russe阿各自独立地得出了一幅表示恒星的光度与表面温
度之间关系的图（图AI）。每一个温度范围定义出一种光谱型，从高温"蓝"星的O
型一直到最冷的"红"星的M型。太阳是一颗G型星，"黄"色，表面温度为开氏觎皿度
。

    图上的点并不是无视分布的，它们的位置反映出恒星演化的轮廓。大多数恒星
都集中在一条对角窄带上，称为主序带，主序状态对应着恒星核心稳定的氢燃烧。
这个群体包括着半径和光度都很小的红矮星（半径以太阳半径为单位在括弧中给出
）和很亮的蓝巨星。

    另一群星在主序带上方水平地铺开，它们是光度很大但温度较低的红巨星和超
巨星。低光度而又高温度的恒星占有主序带下方的一个区域，它们是已经坍缩的白
矮星。

    单颗恒星在其演化生涯中会在赫罗图上移动。太阳的演化已在图上表示出来。
最初的收缩过程使它来到主序带，在这里它将度过一生的大部分时光。当核心的氢
耗尽时，太阳将膨胀成为一颗红巨星，半径增大100倍，光度增大1000倍。然后它
将进入不稳定阶段，一胀一编地脉动，光度也起伏变化，同时逐渐地收缩体积和升
高表面温度。它的最后命运是在以行星状星云形式喷射气体之后，作为一颗枯萎的
白矮星而缓慢地死去。

    比太阳质量大20倍的恒星将沿不同路径演化，其主序阶段的燃烧将更快，然后
膨胀成为红超巨星，再发生超新星爆发而形成中子星或黑洞。最后这两种产物只有
极小量的辐射或完全不发光，因而没有在图上表示出来。

    　腑秘的赠一鹤翡图与恒星演化的终结

    天体在压缩和膨胀两种相反力量的作用下保持平衡。压缩力可以是组成原子和
分子的质子与电子之间的静电引力，或者是总是趋于使天体收缩的万有引力。"热
"天体中的膨胀力是热压力，因为其中心温度很高；"冷"天体中的膨胀力则是由于
量子力学的不相容原理，它在电子或中于密度超过一定值时起支撑作用。

    每一个平衡态都由一种质量与平均密度之间的关系来表征，也都有这种或那种
相反的力进入角色。图AZ中的质量和密度都以太阳值（ZX10"克和1克／立方厘米）
为参照，所以太阳是在坐标原点上。

    　冷天体

    由量子力学压力支持的冷星在图中由粗黑线表示。灰色区是被禁止的，因为那
里违反了不相容原理。对于质量小于10刁M的天体，主要的压缩力是静电引力。相
应的平衡态是行星，特征是有一个不依赖于质量的密度，其值与通常物质相等（1
克／立方厘米）。P点表示行星稳定性的限度，近似地对应着木星的质量。在这个
限度以上引力成为主要的压缩力，并给出密度高得多的冷平衡态。

    白矮星内部的量子力学压力来自简并电子，密度可达1吨／立方厘米。C点是钱
德拉塞卡极限，即白矮星的最大质量1．4Mop超过这个限度电子变成"相对论性"的
，它们有着接近于光速的速度，而且不能再支撑白矮星。

    中子星的内部压力来自简并中子。物质更密集得多，达到原子核的密度矿'克
／立方厘米。E点是中于星稳定性的限度，相应质量是大约3Mgr在此限度以上中子
成为相对论性的，不能再支持星体。对于质量大于3M的天体不存在冷平衡态。

    　黑洞

    黑洞在图中被表示为一条斜线，与密度轴交于E点，与质量轴交于L点。L点正
是米切尔和拉普拉斯所猜想的黑洞：1矿M，l克／立方厘米。由于黑洞态是由引力
单独支配，所有质量和密度的黑洞原则上都可能存在。微型黑洞（图的底部）质量
不大，密度却极高；巨型黑洞（图的顶部）则相反，质量极大，而密度不高。如果
该线延伸到质量为1023M，则相应密度是10"'克／立方厘米，与宇宙中物质平均密
度有相同量级，这似乎意味着宇宙本身可能就是最大的黑洞。

    　热天体

    热星占有白色区。太阳和主序星集中在一条称为热核等温带的狭窄折带上，该
带对应着氢聚变成氦所需要的开氏107度的中心温度。这些星的质量介于0．
olMgh 100Mpe间。

    　恒星演化

    恒星由于演化而在质量一密度图上移动，但保持在虚线方框内。图A3是方框区
的放大，表示出恒星在不同演化阶段其中心发生的主要热核反应。

    由于引力的控制，恒星演化的总趋势是密度增大（在图中向下移动），而质量
丢失、碎裂、不稳定或爆炸等现象使其质量减小（在图中向左移动）。热星的演化
必定以三种可能的冷态之一为终结：白矮星，中子星，黑洞。

    质量小于SM的恒星沿A线移动。在离开氢转变成氦的主序段后，恒星中心的温
度和密度都上升，直至氦能够聚合成碳。碳保持沉寂，恒星最后变成白矮星。质量
更大的恒星的演化轨迹是B线，它们中心的碳能燃烧成为镁，并最后成为中子星。
轨迹C是最为假设性的，它可能表示着质量在25M以上的恒星，在经过了到生成铁为
止的所有热核燃烧阶段后，最终成为黑洞。

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