第7章 人类需要破解宇宙天书(6)

现在，宇宙中这些物质每一种的丰度（丰富程度），提供了宇宙创生大爆炸模型的过硬的证明。科学家们能设法估计空间内存在有多少氢，并将此数量与氦的数量比较。他们发现，此比值与理论所预见的每一个氦原子相应有12个氢原子符合得很好。迄今为止，用此比例检验大爆炸图像的效果一直非常好。

1995年，在大爆炸瞬间产生的氦被首次检测到。约翰·霍普金斯大学的天体物理学家戴维森克里斯和郑炜，用在“奋进号”航天飞机上的紫外望远镜对来自类星体的光线做详细的搜索。他们观察此辐射的目的，在于寻找该光线被星系际氦吸收的证据。探索的结果，确实找到了表明整个宇宙中存在着大量氦的特征吸收谱线（波长的图式表示被氦捕获的辐射）。他们发现，在所探寻的空间区域中的氦的含量，正好与标准宇宙模型所预见的12：1的氢与氦之比一致。

比锂核重的原子核不能在大爆炸中被制造出来，这是因为当锂在形成时，宇宙冷却得过多，更重元素的聚合是不可能的。所有较重元素要在晚得多的时候，在恒星的核心中激烈的高温熔炉里锻造生成。

下一个宇宙演化的重要阶段是复合时期。在此时期内，宇宙中大多数带正电的离子（原子核）收集足够的带负电的电子而形成不带电的中性原子。在这一过程中，大量的辐射被释放出来。这种情况的发生是由于光子倾向于粘牢带电离子和自由电子，围绕着它们之间跳跃。一旦离子成为中性原子，电子被锁定在紧紧的轨道上绕原子核运动，光子便能在空间自由地传播了。

从此时开始，宇宙沉浸在背景辐射的海洋中，起先，此辐射是热的，但随着宇宙的膨胀，其温度下降得很快。今天，此原初能量，已冷却到了绝对零度以上2.735开，继续充斥在宇宙中作为大爆炸时期的一个最后保留下来的残迹。

科学家们有正当理由相信上文所描述的这些事件是发生过的。但所不清楚的是，这些原初现象是多长时间以前发生的。宇宙年龄问题是现代宇宙学中的一个最有争议的问题。

4.难以预测的宇宙最终命运

从彭齐亚斯和威尔逊的发现开始，20世纪最后的30多年是宇宙学发展史上获得辉煌成就的年代。我们已能探测到更遥远的空间和回溯到更古老的年代，这是几十年前，任何年代都难以想象所能达到的时空领域。我们确实已站立在比以前任何年代都能获得更深奥、更丰富的宇宙知识的门槛上了。

由于科学家们多年来的不懈努力，对于宇宙深处的真实情况我们已经知道了不少。首先，我们已知道宇宙曾经有一个时刻非常之热并且是难以想像的小。其次，当宇宙很年轻时，我们推测它是均匀的，或者是不知何故，任何一个大的不规则在暴胀时期被平滑掉了。但不管整个宇宙如何地匀称，其中一定点缀着星系祖先的微小种子。

在过去年代的某一时刻，简单的原子形成了，宇宙辐射能自由地在空间传播（最终，这种辐射的图像被彭齐亚斯、威尔逊、施穆特和其他一些人绘制了出来），新产生出来的原子及时地聚集在宇宙的较密区域——可能是充满大质量暗物质的区域，热物质的巨云凝聚成星系、星系团及超星系团——宇宙结构形成了，与此同时，更大的宇宙结构，如宇宙气泡、纤维和空洞以及突出的宇宙长城开始成形。当宇宙不断地膨胀时，这些天体也一直不断地相距越来越远，而背景辐射也越来越冷。

很快，恒星星系中诞生第一代恒星——星族Ⅱ恒星——主要是由氢气形成的。当它们死亡时，常出现凶猛的爆发，从它们的灰烬中诞生出较年轻的星族Ⅰ恒星。其中的一些形成了行星系统。一部分行星系统支持智慧生命的繁衍。这些行星中的一个叫作地球。

科学家们有正当理由自信上面叙述的这些事件中的大多数确实发生过。基于30多年来天文学家和物理学家搜集到的证据，特别是关于宇宙微波背景的信息以及关于今天已知基本粒子数的数据，可以说对宇宙创生大爆炸的情景已有相当多的了解。

但是，天文学家认为，在他们了解宇宙起源的同时，对于宇宙今后的命运他们还难以捉摸。宇宙是开放的、闭合的还是平直的（这些是在前面讨论弗里德曼模型时所揭示出来的三种可能性）？换句话说，宇宙将一直膨胀下去呢，还是膨胀片刻然后在某一天又开始收缩，还是总在以上两种情形之间摇摆？

如果宇宙是开放的或平直的，其最终的命运将是一个绝对寂静的结局。渐渐地，随着宇宙不断地膨胀，越来越多的恒星将耗尽它们的核燃料而成为白矮星、中子星及黑洞。白矮星最终将完全燃尽成为一个死寂的叫黑矮星的天体。最后，随着最后一批发光恒星的死亡和通过霍金辐射的黑洞蒸发，空间没有了可用的能量，没有了恒星能源的驱动力或来自任何其他燃料泉源的能量。所有的物理过程都到了完全停止的时刻，这一最后状态，叫作热寂，将构成时间本身的终结。

如果宇宙是闭合的，则是另一番景象，其苍白的年代将更具戏剧性。在未来的某一时刻，哈勃膨胀将停止，转而成为普遍收缩。当空间本身向里收缩时，天空所有的星系都将逆转它们的行程，转为互相接近。最后，在一个极相似于时间反转的大爆炸事件中，宇宙将聚缩为一个奇异性的大小为数学点的区域。

理论工作者已经证明这几种不同的可能性可由参数Ω来描绘。这一参数表示宇宙中之质量相对于宇宙重行坍缩所需的临界质量之比。目前，天文学家有好几种测定Ω之值的方法。

方法之一是估计宇宙中的发光物质和暗物质各有多少。研究人员已确知单靠发光物质是不足以使宇宙闭合的。其次，根据现在对暗物质的发现，存在于空间中的暗物质的量也不能满足平直的或闭合的宇宙的需要。这些结果导致宇宙是开放的结论。

但从这些考虑便得出宇宙最终命运的结论仍为时过早。第一，对不发光物质的研究尚在起步阶段，而且天文学家正在用已收集到的新数据对暗物质的性质和数量的估计进行修正。今后，每重新评估一次，对暗物质的质量估计便会前进一步。

况且，这种计算Ω之值的方法有赖于宇宙临界质量的精确测定。虽然感到遗憾的是，临界质量参数是哈勃常数的函数。因为天文学家尚未确定哈勃常数，临界质量是多少也难以肯定。

为了排除这些障碍，一个由加利福尼亚大学伯克利分校的珀尔特、彭尼柏克和戈德哈伯领导的英一美国科学家小组，将另辟蹊径寻找Ω之值。他们寻找的是一个与Ω有关的常数，叫减速因子的数值。该因子的定义为宇宙膨胀速度随时间而变化的变化率。对于一个弗里德曼宇宙来说，该因子之值正好等于Ω的一半。因此，减速因子之值小于1/2、等于1/2和大于1/2，分别表示宇宙是开放的、平直的和闭合的。

英一美小组的测试方法，包括应用位于非洲西北海岸加那利岛上的聚光本领较强的、以牛顿的姓名命名的望远镜来测量遥远超新星爆发时的红移和距离。他们研究的超新星相当地遥远，其光线到达地球要经过几十亿年。因此，这类天体体现宇宙历史的较早时期——一个可假定为不同于今天的哈勃膨胀的时期。英一美小组希望能记录下这一差异，计算出减速因子，然后用此值去预测宇宙命运。

当代天文学家们时常发现他们自己陷进稀奇佯谬的网中，他们按照广义相对论分析宇宙所含物质的分布情形来预测宇宙的命运。但是为了要明白这些物质是如何分布的，他们又时常做出关于宇宙长期行为的一些假设——它是开放的、闭合的、还是平直的。例如，暴胀学说认为今日的宇宙是平直的。

为了摆脱这一困境，研究人员学会更虚怀若谷地对待宇宙的形状和结构问题——避开所有关于大爆炸性质的不必要的假设。许多人转变到宇宙的“设计者模型”，该模型把目前对宇宙年龄的估计、结构的等级式和物质分布三者没有矛盾地结合起来。这些新奇的学说特别适合于调和现在知道的宇宙学的数据。但这些学说时常偏离弗里德曼模型，潜藏着不寻常的特色，如爱因斯坦抛弃掉的宇宙常数项。只有将来的实验，才能说明这种从根本上的离开弗里德曼模型是否是必要的。

现在，的确是一个研究宇宙结构的激动人心的时代。一方面，近年来在对恒星、星系和其他天体的研究方面取得了长足的进展，好像HST差不多每几个星期都有新的发现。另一方面，像年龄问题、暗物质的窘境、大吸引体之谜和宇宙的命运等等问题使得一般自信的科学家们感到困惑。对宇宙越熟悉，就觉得它越古怪。这就足以使你希望抓住一台望远镜，步入夜空，亲自去看看宇宙在发生些什么事情。

三、关于黑洞的探索

20世纪初，丹麦人赫兹普隆和美国人罗素根据恒星的光学谱和亮度，把观察到的恒星排列在一张图上。这种图被称为赫罗图。50年代以来，天文学家们以赫罗图为基础，认为恒星一生经历了星云、星胚、主序星、红巨星等演化过程，最后，红巨星变成“铁心”的天体。如果一个恒星铁核的质量小于1.44个太阳，它将最终变为白矮星；如果恒星铁核在1.44—2.0个太阳质量之间，最后变成中子星；如果恒星铁核质量在2个太阳以上，最后成为黑洞。

根据奥本海默在1939年的说法，大质量天体坍缩到某一临界体积时，会形成一个封闭的边界，强大的引力使界外的物质和辐射只能进入，不能逸出，消失在黑暗中，这便是所谓黑洞。黑洞的理论是优美的，但我们目前还无法观察到孤独的黑洞。对黑洞的认识，可能会给人类的物质观、运动观带来巨大的变革。有人认为，黑洞中可能既没有空间，也没有时间，那里存在时空隧道，是进行星际飞行的走廊。

黑洞，是人们对宇宙空间一个区域的形象称呼。如果宇宙中确实存在黑洞的话，那才是名副其实的黑洞，不但物体掉进去会消失得无影无踪，而且就连光也休想从那里逃逸出来，就像一个饥饿的无底洞，永远也填不饱。因此有人又称它为“星坟”。

追溯起来，黑洞概念并不是新的，法国著名的数学家拉普拉斯早在1789年就已经预言过了。他认为，假如有一个天体，它的密度或质量达到一定的限度，我们就会看不到它了。因为光没有能力逃离开它的表面，也就是说，光无法到达我们这里。不过黑洞引起科学家普遍关注的，还是在爱因斯坦广义相对论公布之后。人们根据爱因斯坦的理论，就黑洞存在的条件及形成原因等问题进行了探索。直到1965年测到的一束来自白天鹅星座的X射线，才真正打开了人们探测黑洞的大门。这一奇特的天体，被当时的天文学家命名为“天鹅座1”。经研究证实这是一个明亮的蓝色星体，它还有一颗看不见的伴星，质量要比太阳大20倍。又过了几年，科学家根据“天鹅座1”发射出来的强射线，找到了编号为HDE226868的星体，它就是X射线的射线源。这是一个巨大无比的星体，质量为太阳的30倍，它围绕另一颗星高速运转。后经研究认为，X射线不是从HDE226868上发射的，而是由绕它运行的伴星上发射的，通过计算，这颗伴星质量是太阳的8倍，但看不到它的位置。到目前为止，这是黑洞最理想的候选者。

时至今日，虽然黑洞还没有被真正捕捉到，但人们对黑洞的存在却是确信无疑的，也许一些星团的中心就是黑洞，大概银河系中心就是一个大质量的黑洞。除了大黑洞之外，很可能还存在比小行星还要小的黑洞。甚至还有人认为地球上也存在黑洞。这些还都属于假说，总有一天，人们会揭开黑洞的神秘面纱。

1.天上饕餮：吞噬一切的黑洞

在人类社会中，有些人过着隐士般的生活，喜欢独居，希望别人不要过多地探询有关他们的事情。

宇宙中也有这样的隐居者。黑洞——天空中大多数大质量恒星的最终演化产物，一个超致密天体——就是宇宙中的神秘隐士。这些宇宙隐士被保护在秘密掩体内，有关它们的信息一点都透露不出来。

“黑洞”这个名词是普林斯顿大学的物理学家惠勒在1968年发表的一篇题为《我们的宇宙，已知的和未知的》的文章中首先提出来的。惠勒不愿意用“引力坍缩物体”这样的名词，希望创造一个较简洁、概括性好的词汇，他认为“黑洞”一词响亮，有号召力。

黑洞是在一特殊的大质量超巨星坍缩时产生的。黑洞产生的过程类似于中子星产生的过程：位于恒星中心的铁核在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。在中子星情况下，当核心中所有的物质都变成中子时坍缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使坍缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想像的物质。

在如此密实的黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到使任何东西，包括光，都不能从黑洞逃逸出去。这就是这种物体被称作“黑洞”的缘故。黑洞不让在其边界以内的任何事物被外界看见。