【正文】 樣的重元素， 因?yàn)樗堑诙虻谌阈?，是?50 億年前從 包含有更早的超新星的碎片的旋轉(zhuǎn)氣體云形成 的。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。但是，這一過程沒有 釋放出太多的能量，所以正如在黑洞那一章描述的，危機(jī)就會(huì)發(fā)生了。 然后，它們會(huì)稍微收縮一點(diǎn)。它們會(huì)穩(wěn)定地在這種狀態(tài)下停留一段很長的時(shí)間。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。 隨著時(shí)間流逝，星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星云，它們 在自身引力下 坍縮。另外一些區(qū)域剛好沒有得到旋轉(zhuǎn)，就形成了叫做橢圓星系的橢球 狀物體。 在一些區(qū)域膨脹會(huì)最終停止并開始坍縮。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。 大爆炸后的幾個(gè)鐘頭之內(nèi)， 氦和其他元素的產(chǎn)生就停止了。況且，在解釋宇宙為何應(yīng)該有這么多氦 時(shí)，用任何其他方法都是非常困難的。在阿爾法、 貝特和伽莫夫?qū)懘苏撐臅r(shí)，對(duì)于質(zhì)子和中子的核反應(yīng)了解得不多。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。阿爾法在合寫的一篇著名的論 文中，第一次提出了宇宙的熱的早期階段的圖像。 1948 年，科學(xué)家喬治可以計(jì)算出，在熱大爆炸模型中大約 4 分之 1 的質(zhì)子和中子轉(zhuǎn)變了氦核，還 14 有少量的重氫和其他元素。氘核包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。 在大爆炸后的大約 100 秒， 溫度降到了 10 億度，也即最熱的恒星內(nèi)部的溫度。然而，如果中微子不是零質(zhì) 量，而是如蘇聯(lián)在 1981 年進(jìn)行的一次沒被證實(shí)的實(shí)驗(yàn)所暗示的，自身具有小的質(zhì)量， 我們則可能間接地探測(cè)到它們。如果我們 能觀測(cè)到它們，就會(huì)為非常熱的早期宇宙階段的圖象提供一個(gè)很好的證據(jù)。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。此刻宇宙主要包含光子、電子和中微 子（極輕的粒子，它只受弱力和引力的作用）和它們的反粒子，還有一些質(zhì)子和中 子。但是，輻射 的溫度隨著 宇宙的膨脹而降低。然而，在更低的溫度下，碰撞粒子具有較小的能量，粒子／反 粒子對(duì)產(chǎn)生得不快，而湮滅則變得比產(chǎn)生更快。更有甚者，連存在于宇宙中的粒子的種類也依賴于溫度。在非常高的溫度下，粒子會(huì)運(yùn)動(dòng) 得如此之快，以至于能逃脫任何由 核力或電磁力將它們吸引一起的作用。（當(dāng)宇宙的尺度大到二倍，它的溫度就降低到一半。它是假定從早到大爆炸 時(shí)刻起宇宙就用弗利德曼模型描述。我不想去分享伽利 略 的厄運(yùn)。他告訴我們，在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的， 但是我們不應(yīng)該去過問大爆炸本身，因?yàn)槟鞘莿?chuàng)生的時(shí)刻，因而是上帝的事務(wù)。幾個(gè)世紀(jì)后 的現(xiàn)在，它決定邀請(qǐng)一些專家就宇宙學(xué)問題提出建議。量子力學(xué)對(duì)大爆炸和大擠壓奇點(diǎn)也能有同樣戲劇性的效應(yīng)嗎？在 宇宙的極早或極晚期，當(dāng)引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，以至于量子效應(yīng)不能不考慮時(shí)，究竟 會(huì)發(fā)生什么？宇宙究竟是否有一個(gè)開端或終結(jié)？如果有的話，它們是什么樣子的？ 整個(gè) 70 年代我主要在研究黑洞，但在 1981 年參加在梵蒂岡由耶穌會(huì)組織的宇宙 學(xué) 會(huì)議時(shí)，我對(duì)于宇宙的起源和命運(yùn)問題的興趣重新被喚起。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。 我們將看到，雖然不確定性原理對(duì)于我們所有的預(yù)言的準(zhǔn)確性都加上了限制，同時(shí) 它卻可以排除掉發(fā)生在空間 —— 時(shí)間奇點(diǎn)處的基本的不可預(yù)言性。費(fèi)因曼對(duì)于歷史 求和的思想，我開始發(fā)展一種更強(qiáng)有力的量子引力論方法。然而，我和其他人在 1974年所用的方法不能回答諸如量子引 力論中是否會(huì)發(fā)生奇性的問題。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）。 當(dāng)黑洞的質(zhì)量大于幾分之一克時(shí)，我用以推導(dǎo)黑洞輻射的近似應(yīng)是很有效的。這樣，此航天員在某種意義上被“再 循環(huán)”了。 黑洞輻射的存在看來意味著，引力坍縮不像我們?cè)?jīng)認(rèn)為的那樣是最終的、不 可逆轉(zhuǎn)的。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。他 甚至為此還寫了一篇論文。我講 演結(jié)束后，會(huì)議主席、倫敦國王學(xué)院的約翰 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 黑洞輻射的思想是第一個(gè)這樣的例子，它以基本的方式依賴于本世紀(jì)兩個(gè)偉大 理論即廣義相對(duì)論和量子力學(xué)所作的預(yù)言。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。他 們找到了一些閃光，但沒有一個(gè)可以確認(rèn)為是從太初黑洞來的伽瑪射線爆。波特和特勒伏人們可在兩個(gè)或更多的隔開相當(dāng)遠(yuǎn)的地 點(diǎn)同時(shí)觀察這閃光，將伽瑪射線爆從以上所說的現(xiàn)象中識(shí)別出來。因而，我們可以由尋找夜空的閃光來檢 測(cè)伽瑪射線爆。當(dāng)這些對(duì)打到其他原子上 時(shí)，它們依序會(huì)產(chǎn)生出更多的電子正電子對(duì)，所以人們得到了所謂的電子陣雨。 12 整個(gè)地球大氣可以看作是一個(gè)能夠認(rèn)出太初黑洞的伽瑪射線探測(cè)器。 你仍需要一個(gè)相當(dāng)大的伽瑪射線 探測(cè)器，以便去檢測(cè)從這爆炸來的若干伽瑪射線量子。 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。而要觀測(cè)到 從冥王星這么遠(yuǎn)來的如此少的粒子，需要一個(gè)比任何迄今已造成的更大的伽瑪射線 探測(cè)器。否則，它們僅可能是背 景的一部份。在這個(gè)距離上去探測(cè)黑洞恒定的輻射，即使其功率 為 1 萬兆瓦， 仍是非常困難的。 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。 11 圖 由于太初黑洞是如此之稀罕，看來不太可能存在一個(gè)近到我們可以將其當(dāng)作一 個(gè)單獨(dú)的伽瑪射線源來觀察。但它們確 實(shí)告訴我們，在宇宙中每立方光年不可 能平均有 300 個(gè)以上的太初黑洞。圖 ，如果在每立方光年平均有 300 個(gè)太初黑洞，它們所發(fā) 射的伽瑪射線的強(qiáng)度應(yīng)如何地隨頻率而變化。 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。 但是，即使我們不能駕馭這些太初黑洞的輻射，我們觀測(cè) 到它們的機(jī)遇又如何 呢？我們可以去尋找在太初黑洞壽命的大部分時(shí)間里發(fā)出的伽瑪射線輻射。所以僅有的放置黑洞并利用之發(fā)出能量的地方是繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)的軌道，而僅有 的將其放到這軌道上的辦法是，用在它之前的一個(gè)大質(zhì)量的吸引力去拖它，這和在 驢子前面放一根胡羅卜相當(dāng)像。 然而，這是非常困難的：這黑洞的質(zhì)量和一座山差不多，卻被壓縮成萬億之一英寸 亦即比一個(gè)原子核的尺度還小！如果在地球表面上你有這樣的一個(gè)黑洞，就無法阻 止它透過地面落到地球的中心。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。初始質(zhì)量比這小的太初黑 洞應(yīng)該已蒸發(fā)完畢，但那些比這稍大的黑洞仍在輻射出 X 射線以及伽瑪射線。這樣的小黑洞會(huì)有高得多的溫度，并以大得多的速率發(fā)生輻射。這比宇宙的年齡長得多 了， 宇宙的年齡大約只有 100 到 200 億年（ 1或 2 后面跟 10 個(gè) 0）。 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。 一個(gè)具有幾倍太陽質(zhì)量的黑洞只具有千萬分之一度的絕對(duì)溫度。人們并不很清楚，當(dāng)黑洞的質(zhì)量最后變得 極小時(shí)會(huì)發(fā)生什么。 還有，黑洞的質(zhì)量越小，則其溫度越高。所以往黑洞去的負(fù)能 量流減少它的質(zhì)量。 圖 10 輻射出去的正能量會(huì)被落入黑洞的負(fù)能粒子流所平衡。對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn) 處的觀察者而言，這看起來就像粒子是從黑洞發(fā)射出來一樣。這種情形下，它 不再需要和它的伴侶相湮滅了，它被拋 棄的伴侶也可以落到黑洞中去。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。然而，一顆接 近大質(zhì)量物體的實(shí)粒子比它遠(yuǎn)離此物體時(shí)能量更小，因?yàn)橐ㄙM(fèi)能量抵抗物體的引 力吸引才能將其推到遠(yuǎn)處。由于在正常情況下實(shí)粒子總是具有正能量，所以具有負(fù)能量的那 一個(gè)粒子注定是短命的虛粒子。然而在這種情形下，粒子對(duì)的一個(gè)成員為粒子而另一成員為 反粒子（光和引力的反粒子正是和粒子相同）。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。這些粒子正如同攜帶太陽引力的虛粒子：它們不像 真的粒子那樣能用粒子加速器直接探測(cè)到。場(chǎng)的值必須有一定的最小的不準(zhǔn)確量或量子起伏。然而場(chǎng)的數(shù)值和它的時(shí)間變化率如同不確定性原理所表明的 粒子位置和速度那樣，對(duì)一個(gè)量知道得越準(zhǔn)確，則對(duì)另一個(gè)量知道得越不準(zhǔn)確。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。然而，我越仔細(xì)推敲，越覺得這 近似其實(shí)應(yīng)該有效。起初我以為這種輻射表明我所用的一 種近似無效。我預(yù)料要去發(fā)現(xiàn)的正是捷爾多維奇和斯塔拉賓斯基所預(yù)言的從旋 轉(zhuǎn)黑洞發(fā)出的輻射。 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。他們說服我，按照量子力學(xué)不確定性 原理， 旋轉(zhuǎn)黑洞應(yīng)產(chǎn)生并輻射粒子。捷爾多維奇和 亞歷山大然而，最后發(fā)現(xiàn)，雖然是在 一種他肯定沒有預(yù)料到的情形下，但他基本上還是正確的。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。 1972年，我和布蘭登所以黑洞必須發(fā)出輻射。 但在低溫下物體也發(fā)出輻射；通常情況下，只是因?yàn)槠漭椛湎喈?dāng)小而沒被注意到。但具有特定溫度的物體必須以一 定的速率發(fā)出輻射。 看來在大多數(shù)情況下，這個(gè)建議不違背熱力學(xué)第二定律，然而還有一個(gè)致命的 瑕疵。柏肯斯坦的研究生提出，事件視界的面 積即是黑洞熵的量度。如果黑洞具有某一特征，黑洞外的觀察者 因之可知道它的熵，并且只要攜帶熵的物體一落入黑洞，它就會(huì)增加，那將是很美 妙的。黑洞外物體的總熵就會(huì)減少。在以后某一時(shí)刻，所有我們第一個(gè)盒子 中的氣體分子在盒子的一半被發(fā)現(xiàn)的概率只有幾萬億分之一，但它們可能發(fā)生。這種狀態(tài)比原先分開的兩盒的初始狀態(tài)更無序，即具有更大的熵。類似地，我們將一個(gè)充滿氧分子的盒子和另 一 個(gè)充滿氮分子的盒子連在一起并除去中間的壁，則氧分子和氮分子就開始混合。 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。氣體的溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)得越快，這樣它們撞擊盒壁越 頻繁越厲害，而且它們作用到壁上的向外的壓力越大。譬 如，考慮一盒氣體分子的系統(tǒng)。 熱力學(xué)第二定律是這個(gè)觀念的一個(gè)準(zhǔn)確描述。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。 7 圖 圖 人們非常容易從黑洞面積的不減行為聯(lián)想起被叫做熵的物理量的行為。然而，他是用稍微不同的黑洞 定義。彭羅斯打 電話，他同意我的 結(jié)果。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。事實(shí)上，只要物質(zhì)或輻射落到黑洞中去，這面積 就會(huì)增大（圖 ） ；或者如果兩個(gè)黑洞碰撞并合并成一個(gè)單獨(dú)的黑洞，這最后的 黑洞的事件視界面積就會(huì)大于或等于原先黑洞的事件視界面積的總和（圖 ） 。如果你看到在遠(yuǎn)距離上的一 個(gè)源（譬如太陽）投下的影子，就能明白邊緣上的光線不會(huì)互相靠近。所以在事件視界上的光線的路徑必須永遠(yuǎn)是 互相平行運(yùn)動(dòng)或互相散開。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蛘撸谶@種情形下落到黑洞中去。 這有點(diǎn)像從警察那兒逃開，但是僅僅只能比警察快一步，而不能徹底地逃脫的情景！ 6 圖 我忽然意識(shí)到，這些光線的路徑永遠(yuǎn)不可能互相靠近。彭羅斯討論過將黑洞定義為不能逃逸到遠(yuǎn)處的事件集合的想法 ，這也就是現(xiàn) 在被廣泛接受的定義。那時(shí)候還不存 在關(guān)于空間 —— 時(shí)間的那一點(diǎn)是在黑洞之內(nèi)還是在黑洞之外的準(zhǔn)確定義。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。所以看起來荒謬，而事實(shí)上卻是，小的黑洞也許可以比大的黑 洞更容易地被探測(cè)到。質(zhì)量大于 10 億噸（一座大山的質(zhì)量）的太 初黑洞，可由它對(duì)其他可見物質(zhì)或宇宙膨脹的影響被探測(cè)到。 很清楚，導(dǎo)致形成恒星和星系的無規(guī)性是否導(dǎo)致形成相當(dāng)數(shù)目的“太初”黑洞，