【正文】 哈 特爾在那里，他和我共同得出了如果空間 — 時(shí)間沒有 邊界時(shí)宇宙應(yīng)滿足的條件。”宇 宙是完全自足的，而不被任何外在 于它的東西所影響。 而在量子引力論中，還存在第三種可能性。為了避 免實(shí)際進(jìn)行歷史求和的技術(shù)困難，這些彎曲的空間 — 時(shí)間必須采用歐幾里德型的。事件具有虛值時(shí)間坐標(biāo)的空間 — 時(shí)間被稱為歐幾里德型的，它是采用建立了 二維面幾何的希臘人歐幾里德的名字命名的。虛時(shí)間可能聽起來像科學(xué)幻 想，但事實(shí)上，它是定義得很好的數(shù)學(xué)概念。 我們?nèi)匀粵]有一套完整而協(xié)調(diào) 的理論，它將量子力學(xué)和引力結(jié)合在一起。我們是否應(yīng)該轉(zhuǎn)去應(yīng)用人擇原理以求解釋呢？難道所有這一切僅僅是 因?yàn)楹眠\(yùn)氣？看來，這只是無望的遁詞，是對(duì)我們理解宇宙內(nèi)在秩序的所有希望的 否定。 這是重要的，因?yàn)樗砻鞑槐胤浅＜?xì)心地選取我 們居住的那部份宇宙區(qū)域的初始狀 態(tài)。雖然有很多人似 乎沒有聽進(jìn)它的死訊，還繼續(xù)寫文章，好像那理論還有生命力。在該文中，他們提出了某 種非常類似林德緩慢對(duì)稱破缺的思想。盡管如此，我最終 還是到了費(fèi)城并得到獎(jiǎng)?wù)隆Ｒ? 19 為林德要花幾個(gè)月時(shí)間去改正它，并且他寄到 西方的任何東西都要通過蘇聯(lián)的審查， 這種對(duì)于科學(xué)論文的審查既無技巧可言又很緩慢。為了使這個(gè)行得通，從對(duì)稱相向?qū)ΨQ破缺相的改變必須在泡泡中進(jìn)行得非常慢， 而按照大統(tǒng)一理論這是相當(dāng)可能的。泡泡膨脹并互相碰撞，直到整個(gè)宇宙變成新相?！? 今天宇宙不是以暴漲的方式膨脹。這樣宇宙可以同時(shí)將其正的物質(zhì)能和負(fù)的引力能加倍，而不 破壞其能量的守恒。它們從何而來？答案是，在 量子理論中，粒子可以從粒子／反粒子對(duì)的形式由能量中創(chuàng)生出來。宇宙中的任何 不規(guī)則性都被這膨脹抹平，正如當(dāng)你吹脹氣球時(shí)，它上面的皺紋就被抹平了。 處理水的時(shí)候，只要你足夠小心，就能使之“過冷”，也就是可以將溫度降低 到冰點(diǎn)（ 0℃） 以下而不結(jié)冰。 固斯提出，宇宙是以一個(gè)非常熱而且相當(dāng)紊亂的狀態(tài)從大爆炸開始的。在上述的熱 大爆炸模型中，沒有足夠的方向使熱從一個(gè)區(qū)域流到另一區(qū)域。 對(duì)強(qiáng)人擇原理的第二個(gè)異議是，它和整個(gè)科學(xué)史的潮流背道而馳。盡管如此，看來很清楚，允許任何智慧生命形式的發(fā)展 的數(shù)值范圍是比較小的。按照這個(gè)理論，存在 許多不同的宇宙或者一個(gè)單獨(dú)宇宙的許多不同的區(qū)域， 每一個(gè)都有自己初始的結(jié)構(gòu)，或許還有自己的一套科學(xué)定律。 應(yīng)用弱人擇原理的一個(gè)例子是“解釋” 為何大爆炸發(fā)生于大約 100 億年之前 — — 智慧生物需要那么長時(shí)間演化。類似地，在宇宙的情形，是否我們可能剛好生活在一個(gè)光滑和一 致的區(qū)域里呢？初看起來，這是非常不可能的，因?yàn)檫@樣光滑的區(qū)域比紊亂的無序 的區(qū)域少得多得多。這意味著，早期宇宙可能是非常 紊亂和無規(guī)則的。但是如果他使宇宙以這種不可理解 的方式開始，何以他又選擇讓它按照我們可理解的定律去演化？整部科學(xué)史是對(duì)事 件不是以任意方 式發(fā)生，而是反映了一定的內(nèi)在秩序的逐步的意識(shí)。這些密度起伏的起源是什么？ 廣義相對(duì)論本身不能解釋這些特征或回答這些問題，因?yàn)樗A(yù)言，在大爆炸奇 點(diǎn)宇宙是從無限密度開始的。 盡管如此，還有許多重要問題未被回答： （ 1）為何早期宇宙如此之熱？ （ 2） 為何在大尺度上宇宙是如此一致？為何在空間的所有地方和所有方向上 它顯得是一樣的？尤其是，當(dāng)我們朝不同方向看時(shí)，為何微波輻射背景的溫度是如 此之相同？這有點(diǎn)像問許多學(xué)生一個(gè)考試題。在有些情況下復(fù)制 15 有誤差。云里的大部分氣體形成了太陽或 者噴到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像地球這樣的、現(xiàn)在繞太陽 公轉(zhuǎn)的物體。質(zhì)量更 大的恒星需要變得更熱，以去平衡它們更強(qiáng)的引力，使得其核聚變反應(yīng)進(jìn)行得極快， 以至于它們?cè)?1 億年這么短的時(shí)間里將氫用光。當(dāng)它們坍縮時(shí)， 在這些區(qū)域外的物體的引力拉力使它們開始很慢地旋轉(zhuǎn)；當(dāng)坍縮的區(qū)域變得更小， 它會(huì)自轉(zhuǎn)得更快 —— 正如在冰上自轉(zhuǎn)的滑冰者，縮回手臂時(shí)會(huì)自轉(zhuǎn)得更快；最終， 當(dāng)這些區(qū)域變得足夠小，自轉(zhuǎn)的速度就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。所以對(duì)于早期宇 宙不同元素比例所作的預(yù)言相當(dāng)不準(zhǔn)確，但是，在用更好的知識(shí)重新進(jìn)行這些計(jì)算 之后，現(xiàn) 在已和我們的觀測(cè)符合得非常好。所余下的中子會(huì)衰變成質(zhì)子，這正是通常氫原子的核?？上КF(xiàn) 今它們的能量太低了，以至于我們不能直接地觀察到。 就在大爆炸時(shí)，宇宙體積被認(rèn)為是零，所以是無限熱。在此模型中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，其中的 任何物體或輻射都變得更涼。天主教會(huì)試圖對(duì)科學(xué) 的問題立法，并宣布太陽是繞著地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)伽利略犯下了大錯(cuò)誤。所以從 1975 年以來，根 據(jù)理查德如果一個(gè)航天員落到黑洞中去，黑洞的質(zhì)量將增加，但是最終這額外質(zhì) 量的等效能量會(huì)以輻射的形式回到宇宙中去。因?yàn)樗品艘延械挠^點(diǎn)，所以一開始 就引起了許多反對(duì)：“黑洞怎么會(huì)輻射東西出來？”當(dāng)我在牛津附近的盧瑟福 —— 阿普頓實(shí)驗(yàn)室的一次會(huì)議上，第一次宣布我的計(jì)算結(jié)果時(shí)，受到了普遍質(zhì)疑。兩位都柏林的科 學(xué)家奈爾然而，在這種情形下，不必 去確定所有的量子是否來自同一方向，只要觀測(cè)到所有它們是在一個(gè)很短的時(shí)間間 隔里來到的，就足夠使人相當(dāng)確信它們是從同一爆炸來的。人們必須在合理的時(shí)間間隔里，譬如一星期，從同 方向檢測(cè)到幾個(gè)伽瑪射線量子，以便觀測(cè)到一個(gè) 太初黑洞。所以可以說，伽瑪射線背景的觀測(cè)并 沒給太初黑洞提供任何正的證據(jù)。它會(huì)穿過地球而來回振動(dòng)，直到最后停在地球的中 心。另一方面，正如第 六章提及的，在宇宙的極早期階段存在由于無規(guī)性引起的坍縮而形成的質(zhì)量極小的 太初黑洞。這樣當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時(shí)，它的溫度和 發(fā)射率增加，因而它的質(zhì)量損失得更快。啊，具有正 能量的它也可以作為實(shí)粒子或?qū)嵎戳Ｗ訌暮诙吹泥徑幼撸▓D ） 。 因?yàn)槟芰坎荒軣o中生有，所以粒子反粒子對(duì) 中的一個(gè)參與者有正的能量，而另 一個(gè)有負(fù)的能量。所 以在空的空間里場(chǎng)不可能嚴(yán)格地被固定為零，因?yàn)槟菢铀图扔袦?zhǔn)確的值（零）又 有準(zhǔn)確的變化率（也是零）。然而，當(dāng)我做了計(jì)算，使我既驚奇又惱火的是，我發(fā)現(xiàn)甚至非 旋轉(zhuǎn)黑洞顯然也以不變速率產(chǎn)生和發(fā)射粒子。 1973 年 9月我訪問莫斯科時(shí)， 和蘇聯(lián)兩位最主要的專家雅可夫 為了不違反熱力學(xué)第二定律這輻射是必須的。緊接著上述的黑洞面積定理的發(fā)現(xiàn)（即只要物體落入黑洞，它的事件視界面 積就會(huì)增加），普林斯頓一位名叫雅可布 在后來的時(shí)刻，最可能的狀態(tài)是兩個(gè)盒子都充滿了相當(dāng)均勻的氧分子和氮分子的混 合物。它陳述道：一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總 是增加的，并且將兩個(gè)系統(tǒng)連接在一起時(shí)，其合并系統(tǒng)的熵大于所有單獨(dú)系統(tǒng)熵的 總和。我想，事實(shí)上他已經(jīng)知道了這個(gè)面積的性質(zhì)。另一種看到這一點(diǎn)的方法是，事件視界，亦即黑洞邊界， 正像一個(gè)影子的邊緣 —— 一個(gè)即將臨頭的災(zāi)難的影子。我已經(jīng)和 羅杰所以如果我們能夠確定現(xiàn)在有多少太初黑洞， 我們就能對(duì)宇宙的極早期階段了解很多。只有當(dāng)物質(zhì)由非常巨大的壓力壓縮成極 端緊密的狀態(tài)時(shí)，這小質(zhì)量的黑洞才得以形成。 人們認(rèn)為，在類星體的中心是類似的、但 質(zhì)量更大的黑洞，其質(zhì)量大約為太陽 的 1 億倍。 現(xiàn)在，在我們的星系中和鄰近兩個(gè)名叫麥哲倫星云的星系中，還有幾個(gè)類似天 鵝 X－ 1 的黑洞的證據(jù)。盡管如此，我和加州理工學(xué)院的基帕 為了使這機(jī)制起作用，不可見物體必須非常小，像白矮星、 中子星或黑洞那樣。慶幸的是，有一種辦法。貝爾發(fā)現(xiàn)了天空發(fā)射出無線電波的規(guī)則脈 沖的物體，這對(duì)黑洞的存在的預(yù)言帶來了進(jìn)一步的鼓舞。施密特測(cè)量 了在稱為 3C273（即是劍橋射電源編目第三類的 273號(hào)）射電源方向的一個(gè)黯淡的類 星體的紅移。 并且它的大小和形狀，只決定于它的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，而與坍縮成為黑洞的原先物 體的性質(zhì)無關(guān)。由此 人們猜測(cè)，如將伊斯雷爾的結(jié)果推廣到包括旋轉(zhuǎn)體的情形，則任何旋轉(zhuǎn)物體坍縮形 成黑洞后，將最后終結(jié)于由克爾解描述的一個(gè)靜態(tài)。按照這種觀點(diǎn)，任 何非旋轉(zhuǎn)恒星，不管其形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，在引力坍縮之后都將終結(jié)于一個(gè) 完美的球形黑洞，其大小只依賴于它的質(zhì)量。事實(shí)上，它們可以用愛因斯坦的特解來描述， 這個(gè)解是在廣義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)后不久的 1917年卡爾此系統(tǒng)包 含兩個(gè)互相圍繞著運(yùn)動(dòng)的中子星，由于引力波輻射，它們的能量損失，使之相互以 螺旋線軌道靠近。引力波和電磁場(chǎng)的漣漪光波相類似，但是要探測(cè)到它則困 難得多。換言之，奇點(diǎn)總是發(fā)生在他的將來，而從 不會(huì)在過去。他也 許能避免撞到奇點(diǎn)上去，而穿過一個(gè)“蟲洞”來到宇宙的另一區(qū)域。）人們可以將詩人但丁針對(duì)地 獄入口所說的話恰到好處地用于事件視界：“從這兒進(jìn)去的人必須拋棄一切希望。其能量損失的效應(yīng)將改變地球的軌道，使之逐漸越來越接近太 陽，最后撞到太陽上，以這種方式歸于最終不變的狀態(tài)。 然而，加拿大科學(xué)家外奈彭羅斯和約翰這些“克爾”黑洞以恒常速 度旋轉(zhuǎn)，其大小與形狀只依賴于它們的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)的速度。最后，在國王學(xué)院任教的大衛(wèi) 下 一章我們將會(huì)看到它的意義。人們還發(fā)現(xiàn)了許多其他類星體，它們都有很大的紅移。中子星的半徑大約 10 英哩，只是恒星 3 變成黑洞的臨界半徑的幾倍。人們當(dāng)然不能 立即得出結(jié)論說，這伴星即為黑洞 —— 它可能 僅僅是一顆太暗以至于看不見的恒星 而已。 圖 在靠近照片中心的兩個(gè)恒星之中更亮的那顆是天鵝 X－ 1， 被認(rèn)為是 由互相繞著旋轉(zhuǎn)的一個(gè)黑洞和一個(gè)正常恒星組成。索思將得到 1 年的《閣樓》 。我們還有某些證據(jù)說明，在我們星系的中心 有大得多的黑洞，其質(zhì)量大約是太陽的 10萬倍。在許多星系和類星體中確實(shí)觀察到這類射流。所以當(dāng)早期宇宙不是完 全光滑的和均勻的情形，這才有可能。然而，同年 11 月我的女兒露西出生后不久的一個(gè)晚上，當(dāng)我上床時(shí)，我開始思 考黑洞的問題。這正如和另一個(gè)從對(duì)面逃離警察的人相遇 —— 你們倆都會(huì)被 抓?。海ɑ蛘?，在這種情形下落到黑洞中去。我如此地為我的發(fā) 現(xiàn)所激動(dòng)，以至于當(dāng)夜沒睡多少。常識(shí)告訴我們，如果不進(jìn)行外加干涉，事物總是傾向于 增加它的無序度。 在以后的某一時(shí)刻，所有這些分子偶爾會(huì)都呆在右半部或回到左半部，但占絕對(duì)優(yōu) 勢(shì)的可能性是在左右兩半分子的數(shù)目大致相同。黑洞外物體的總熵就會(huì)減少。但具有特定溫度的物體必須以一 定的速率發(fā)出輻射。巴丁合寫了一 篇論文，在論文中我們指出，雖然在熵和事件視界的面積之間存在許多相似點(diǎn)，但 還存在著這個(gè)致命的困難。 所以我著手設(shè)計(jì)一種更好的數(shù)學(xué)處理方法， 并于 1973 年 11月底在牛津的一次非正式討論會(huì)上將其公布于眾。此后，其他人用多種不同的形式重復(fù)了這個(gè)計(jì)算，他們所有人都證實(shí)了黑洞必 須如同一個(gè)熱體那樣發(fā)射粒子和輻射，其溫度只依賴于黑洞的質(zhì)量 —— 質(zhì)量越大則 溫度越低。例 如，測(cè)出繞著原子運(yùn)動(dòng)的電子能量發(fā)生的微小變化和理論預(yù)言是如此相一致，以至 于達(dá)到了令人驚訝的地步。但是黑洞里的 引力是如此之強(qiáng)，甚至在那兒一個(gè)實(shí)粒子的能量都會(huì)是負(fù)的。所以往黑洞去的負(fù)能 量流減少它的質(zhì)量。 如果宇宙注定繼續(xù)永遠(yuǎn)膨脹下去，微波輻射的溫度就會(huì)最終減小到比這黑洞的溫度 還低， 它就開始損失質(zhì)量。這樣的黑洞幾乎不配這黑的綽號(hào)：它 們實(shí)際上是白熱的，正以大約 1萬兆瓦的功率發(fā)射能量。 我們確實(shí)觀察到了這樣的一個(gè)伽瑪射線背景：圖 察到的強(qiáng)度隨頻率的變化。 雖然伽瑪射線背景告訴我們，平均每立方光年不可能有多于 300個(gè)太初黑 洞，但它并沒有告訴我們，太初黑洞在我們星系中的密度。 當(dāng)然，如果一顆像冥王星這么近的黑洞已達(dá)到它生命的末期并要爆炸開來，去 檢測(cè)其最后爆炸的輻射是容易的。因而，我們可以由尋找夜空的閃光來檢 測(cè)伽瑪射線爆。如果早期宇宙曾經(jīng)是紊亂或無規(guī)的，或者物質(zhì)的壓力 很低，可以預(yù)料到會(huì)產(chǎn)生比我們對(duì)伽瑪射線背景所作的觀測(cè)所設(shè)下的極限更多的太 初黑洞。泰勒在內(nèi)的大部分人都得出結(jié)論： 如果我們關(guān)于廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的其他觀念是正確 的，黑洞必須像熱體那樣輻 射。最可能的結(jié) 果看來是，它至少從宇宙的我們這一區(qū)域消失了，帶走了航天員和可能在它里面的 任何奇點(diǎn)（如果其中確有一個(gè)奇點(diǎn)的話）。任何拋進(jìn)黑洞的東西都會(huì)在奇點(diǎn)處被毀滅，只有 它的質(zhì)量的引力效應(yīng)能繼續(xù)在外面被感覺得到。我不想去分享伽利 略 的厄運(yùn)。更有甚者，連存在于宇宙中的粒子的種類也依賴于溫度。這樣只剩下很少的電子，而大部分電子和反電子相互湮滅，產(chǎn) 生出更多的光子。氘核包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。貝特將他的 名字加到這論文上面，使得列名作者為“阿爾法、貝特、 伽莫夫”，正如希臘字母的前三個(gè)：阿爾法、貝他、伽瑪，這特別適合于一篇關(guān)于 宇宙開初的論文！他們?cè)诖苏撐闹凶鞒隽艘粋€(gè)驚人的預(yù)言：宇宙的熱的早期階段的 輻射（以光子的形式）今天還應(yīng)在周圍存在，但是其溫度已被降低到只比絕對(duì)零度 （一 273℃） 高幾度。最后，一旦溫度降低到幾千度，電 子和核子不再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力，它們就開始結(jié)合形成原子。這些反應(yīng)將更多的氫轉(zhuǎn)變成氦，釋放出的熱升高了壓力，因此使星 云不再繼續(xù)收縮。恒星的外部區(qū)域有時(shí)會(huì)在叫做超新星的巨大爆發(fā)中吹出來，這 種爆發(fā)會(huì)使星系中的所有恒星相形之下顯得黯淡無光。然而，存在 其他在這條件下能繁衍的生命的原始形式。第一種原始的生命形式消化了包