第十九章 黑洞宇宙

2025-03-30 09:01:03

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10Mpe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。