黑洞

第25部分 (第3/4頁)

地膨脹的宇宙（與某些宇宙學家也有的流行觀念相反，宇宙在時間上的無限並不意味著在空間上的無限）。

宇宙中物質的平均密度決定著宇宙未來的命運。如果密度小於臨界值10《’克／立方厘米（相當於每立方米的空間裡有六個氫原子），”則宇宙的引力場不足以束縛住物質，宇宙將繼續無休止地膨脹。相反，如果平均密度大於臨界值，則引力終將使宇宙停止膨脹並重新收縮，在1000億年內宇宙將坍縮成一種與大爆炸相反的狀態，不妨叫做大擠壓。

無論宇宙的最後命運如何（宇宙密度的實際測量值稍小於臨界值，但還不能由此得出“開放”宇宙的結論，因為並非所有的物質都已被觀測到），黑洞都將是其中的主角。普林斯頓高階學術研究所的弗里曼·戴森（Freeman　Dxson）和倫敦大學的雅瑪爾·伊思蘭（Jamal　Islam）已經研究了持續膨脹的宇宙的長時期演化（見伊思蘭的著作《宇宙的最終命運》入劍橋大學出版社1983年）。雖然宇宙已經存在了150億年，這種長時間的物理過程尚未開始，但遲早將會來臨。在大約102’年裡，所有已熄滅的恆星都將聚集在星系中心，成為10’他彈量的大黑洞。星系團中星系軌道運動的能量也將由於引力輻射而消散，在大約1031年裡星系都將落到團的中心，並聚合成10”Mpe量的超巨型黑洞。在更大得多的時間尺度上，反過程即黑洞的量子蒸發將會發生。恆星級黑洞將在10e’年裡蒸發光，星系級巨型黑洞需要100’年，超巨型黑洞則需要10’歷年。作為能量和滴的最後蓄積，黑洞將變得與白洞類似，把自己的物質散佈到膨脹的宇宙中（以“合格”的黑體輻射的形式，見第15章）。

戴森最後問自己，面對宇宙不可避免地變得稀薄和冷卻這種不利的條件，高階文明能否透過從黑洞中提取能量來無限期地維持生存？這個設想使人回憶起一些典型的科學幻想故事，而與現代粒子物理的一個預測相牴觸，那就是，質子並不是永存的，而是會在大約收‘年後衰變（現有實驗並未證實關於質子壽命的這個預測）。那麼，遠在黑洞開始釋放其能量之前，所有的物理結構和生命組織就都已消亡。

現在來考查一下時間上和空間上都有限的膨脹一收縮宇宙的後果。使宇宙成為一個閉合系統所需的最低密度是一個質量為1023M，半徑為400億光年的黑洞的平均密度（黑洞的平均密度是隨其半徑的增大而減小的），而對我們的宇宙而言，光所走過的最大距離不超過150億光年。這就是說宇宙是在其史瓦西半徑之內，能由此得出結論說我們是生活在一個極其巨大的黑洞內部嗎？

更深入地作一番考慮，就會發現有一系列的理論證據支援黑洞宇宙的假設。請讀者回想圖47這一智力傑作，即是一顆坍縮的球形恆星內部和外部的時空圖。外部是史瓦西幾何片，而內部的幾何則有賴於恆星物質的狀態方程。廣義相對論證明，如果恆星類似於一團壓強為零、密度均勻的球狀“雲”，即類似於充滿於宇宙的星系氣體，則雲的內部幾何（圖中的斜線區）與閉合宇宙的幾何完全一致，而且內部和外部幾何在雲的表面完好地相連線。

另一方面，閉合的膨脹一收縮宇宙也有一個視界，即這樣一個時空邊界，在其之外的事件是我們所不可聯絡的，因為那些事件的光訊號不能到達我們這裡。這個宇宙學視界（不要與粒子視界相混淆，後者是指在一個給定時刻宇宙中可觀測部分的空間邊界）是與將來奇點（即大擠壓）相聯絡著，從內部看，它就像黑洞視界從外部看時規定著黑洞的邊界一樣（事實上閉合宇宙的最大半徑與它在外部觀測者眼中的史瓦西半徑精確相等）。

因此可以想象，如果宇宙是閉合的，就必定有一個外部世界，我們的宇宙是其中的一個隱藏在黑洞內的區域。顯然，如果這個（仍令人迷惑不解的）假設能得到證明，宇宙學將展開一個全新的領域。

例如，科學家們首先想知道的是，我們的宇宙是怎樣成為一個黑洞的。它是外部宇宙中的一個原初黑洞呢，還是由一個102M質量的“超級恆星”的目力坍縮而形成的呢？這樣看來，外部宇宙就不是真空，那裡的星系（或許是由我們完全不知道的物質組成的）可以整個地掉進我們的宇宙。

宇宙作為一個黑洞的最吸引人的結果將是黑洞內物質完全出乎意料的行為。廣義相對論指出，恆星在史瓦西半徑以內的引力收縮必定以中心奇點為終結。但是，廣義相對論是不完整的。由於沒有量子引力理論，我們必須承認對支配黑洞內物質行為的定律實際上