黑洞-第25部分

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　　　　另一种形式的引力振子是让一棍棒绕通过其中心的垂直轴在水平面上旋转。在视线沿旋转面的观测者看来，棒的投影长度在不断变化，棒表现出交替地缩短和伸长，这种运动也产生引力波。一根长20米、重500吨的钢律以其强度极限内的最大速度旋转，即每秒钟转5周，所释放的引力能仍是小得可笑：10”’瓦。
　　　　也许还是离开实验室，寻找太阳系里的自然引力源为好，但是情况仍不能令人鼓舞。五百亿颗直径为1公里的陨星，以每秒10公里的速度落向地球时所产生的引力波能量，才能点亮一只灯泡。当然，没有人还能活着看到这个结果。
　　　　在通常的天体中寻找引力源是无济于事的。为产生不可忽略的引力波，恒星必须以接近于光速的速度运动，并且高度致密，即其半径接近于史瓦西半径。地球绕太阳公转的速度是周公里／秒，半径是其史瓦西半径的10亿倍，产生的引力能只有0．001瓦。
　　　　贯穿本书始终的“相对论”星，至少能够短暂地具备有利于引力光发射的条件。它们在发生最剧烈的变动时能成为很好的引力波源。由于这些星都离得很远（假如是在地球附近，所有的生命就会荡然无存），它们的引力能只有极小一部分能够到达地球。
　　　　致密星系统是理想的引力波源。一对靠得很近的中子星能够辐射足够强的引力能，由此产生的效应能被间接地探测到，因为轨道运动能量的丢失会由转动周期的缩短反映出来。双星脉冲星PSR1913＋16是这种现象的一个极好例证，而且可能是目前仅有的引力波的观测证据（见“脉冲双星的大贡献”一节）。
　　　　对单个恒星来说，标志其热核生涯终结的激变事件可以成为强大的引力辐射源泉，导致中子星形成的超新星就是极其有效的释能事件。恒星在其坍缩的最后几秒钟所发射的引力能，比它在热核生涯的几百万年中所释放的电磁能还要多。但是，与发射周期性的引力波并被称为“引力脉冲星”的双星系统不同，超新星是～种“冲动”源，只产生～次短暂的引力辐射爆发。
　　　　谈论引力最后总是回到黑洞，黑洞是超优美的相对论星，是最丰富的引力辐射源。恒星完全球对称地坍缩成为黑洞的过程并不产生任何引力波（见第11章），但是真实的恒星是旋转的，总有不对称的运动，从而有引力光的发射。黑洞“婴儿”的第一声“啼哭”就是引力光的闪耀，释放的能量与其静质量能量相当。两个10Mpe量的黑洞相碰撞所产生的弓I力光度，比最强大的类星体的电磁光度还要大1亿倍。如果这样一个事件发生在1万光年之遥的银河系中心，到达地球的能流将是可探测的。
　　　　一门研究引力光的新天文学正在诞生，这将是具有无可比拟的透明性的天文学。这是因为，与电磁辐射不同，引力辐射并不被物质吸收，因而来自遥远源的辐射就能不损失任何所携带的信息而到达地球。另外，对于最强的引力辐射源，即中子星对、超新星核心和黑洞，电磁观测所能揭示的信息极少，而且只能以间接的方式。因此，引力天文学将打开一扇通往一个更神秘的宇宙的新窗口，不仅揭示出关于致密星和超密物质的未知性质，而且告诉我们宇宙150亿年前开端时的情况。不断地被密度涨落所搅”动的原初宇宙，以及大爆炸本身，都是强大的引力辐射源。即使在大爆炸后的头100万年里没有电磁波射出，引力辐射仍能不受妨碍地穿过原初宇宙的最高密度区域，或许只有引力光能够提供黑洞存在和宇宙诞生的确定证据。
　　　　再回到地球。望远镜是用来捕获光的，那么又怎样建造～个引力望远镜呢？原理很简单。正如电磁波引起接收天线振荡一样，引力波也使相遇的物质以一定方式振荡，“曲率皱纹”使时空的弹性织物出现轻微波动，时空距离发生伸长或缩短。例如，如果探测器是一块固体物质，当引力波穿过时该物体的不同部分就会沿不同方向有所移动，即出现形变（必须注意，引力波总能穿过任何物体。无论是多么坚硬的物体，都不可能完全不发生形变）。
　　　　物体中两点之间的间隔在引力波作用下发生的变动能给出波的振幅，而波的振幅是其能量的直接量度。银河系中心两个恒星级黑洞的碰撞将会使一个1米长的律形探测器两端发生10－‘’（一万亿分之一）毫米的移动。引力波探测器的建造因而是对科学家们的一个技术挑战。
　　　　马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph　Weber）在60年代制造了一个很大的铝质圆柱，预期其长度会在来自银心的引力波作用下发生振荡。他认为自己已经得到了肯定的结果，但是在世界上其他许多地方所作的类似实验表明，他对实验误差所作的解释是不正确的。铭心的一次超新星爆发所产生的波的振幅是10－”毫米，而韦伯的装置能探测的振幅要比这大1万倍。另外，对银心超新星的探测还有一个问题：银心的超新星是每10年1个，而爆发过程中的引力暴只持续不到1秒钟的时间。
　　　　最有希望探测到引力波的场所是室女座星系团，那里有几千个星系聚集在天空中一个很小的视角范围里，超新星爆发和双脉冲星周期的衰减所发生的频率大约是每星期一次。但是室女座星来团的距离并不像银心那样是1万光年，而是5000万光年。这意味着，要探测到那里的一个超新星的引力光，引力望远镜就必须比能探测铭心类似事件的那种灵敏100万倍。值得注意的是，1987年2月大麦哲伦云中的超新星爆发（见第6章）的距离“仅”是17万光年，应当能发射出足够强的引力波，被两个或三个探测器接收到——如果探测器在开动着的话。但是那天它们全都在检修！
　　　　尽管有这些恼人的技术困难，引力波的探测仍有可能在本世纪末获得突破。自韦伯以后已经取得了许多技术进展，目前世界上共有八个研究组在使用着第二代棒形探测器。这种探测器更敏感也更昂贵，因为是用钢或蓝宝石这样的稀有材料制造的，并且要冷却到只有绝对零度以上几度的温度。
　　　　另一条更有希望的途径刚刚被开辟，其原理是测量两面大质量镜子之间距离的振荡。这两面镜子放在长支架的端点上，它们的距离用一个光干涉仪系统来检测。这实际上是一种修改的麦克尔逊一莫雷实验（见第2章），但不再是用来测量以太的绝对运动，而是测量时空的抖动。镜子之间的距离越大，从系统内部的“背景噪声”（由地震波、声波等等所引起）检测出引力信号的效应的机会也就越大。制造出极高质量的镜子，使之能实现接连几百次光反射，则当镜子之间的实际距离是3公里时能得到的等效距离是150公里。
　　　　这种干涉议的天线还本制造出来，但各种预备实验已在进行之中：一个美国的项目，一个英、德联合项目，还有一个名为“室女座”的法、意联合项目（因为室女座星系团是主要探测目标）。所需的经费比一次航天飞机或卫星发射，或是比波斯湾战争中半个小时的费用都要少。然而，引力天文学，由于缺乏观测证据，难以获得经费倒成了当然的事。相对论天体物理学家们仍在焦急地期待着获得资助来打开宇宙的又一扇神秘的窗户。近代天文学史已经证明，每次当我们用肉眼或照相机以外的眼睛（射电望远镜、X射线和伽玛射线探测器）来观察天空时，总会发现新的奇迹，从而迫使我们更新自己的思想，加深我们对宇宙的认识。
　　　　宇宙的引力窗口迟早将会开启。当第一批引力信号被探测到时，关于辐射源的运动和性质的信息仍将被背景噪声所淹没。然而，下一世纪必将是引力天文学的世纪，在这一信念支持下，我们或许会试图把巨大的引力干涉仪发射到空中，使之摆脱地球的和人类的种种干扰。第十九章　黑洞宇宙
　　　　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10”Mpe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“合格”的黑体辐射的形式，见第15章）。
　　　　戴森最后问自己，面对宇宙不可避免地变得稀薄和冷却这种不利的条件，高级文明能否通过从黑洞中提取能量来无限期地维持生存？这个设想使人回忆起一些典型的科学幻想故事，而与现代粒子物理的一个预测相抵触，那就是，质子并不是永存的，而是会在大约收‘年后衰变（现有实验并未证实关于质子寿命的这个预测）。那么，远在黑洞开始释放其能量之前，所有的物理结构和生命组织就都已消亡。
　　　　现在来考查一下时间上和空间上都有限的膨胀一收缩宇宙的后果。使宇宙成为一个闭合系统所需的最低密度是一个质量为1023M，半径为400亿光年的黑洞的平均密度（黑洞的平均密度是随其半径的增大而减小的），而对我们的宇宙而言，光所走过的最大距离不超过150亿光年。这就是说宇宙是在其史瓦西半径之内，能由此得出结论说我们是生活在一个极其巨大的黑洞内部吗？
　　　　更深入地作一番考虑，就会发现有一系列的理论证据支持黑洞宇宙的假设。请读者回想图47这一智力杰作，即是一颗坍缩的球形恒星内部和外部的时空图。外部是史瓦西几何片，而内部的几何则有赖于恒星物质的状态方程。广义相对论证明，如果恒星类似于一团压强为零、密度均匀的球状“云”，即类似于充满于宇宙的星系气体，则云的内部几何（图中的斜线区）与闭合宇宙的几何完全一致，而且内部和外部几何在云的表面完好地相连接。
　　　　另一方面，闭合的膨胀一收缩宇宙也有一个视界，即这样一个时空边界，在其之外的事件是我们所不可联络的，因为那些事件的光信号不能到达我们这里。这个宇宙学视界（不要与粒子视界相混淆，后者是指在一个给定时刻宇宙中可观测部分的空间边界）是与将来奇点（即大挤压）相联系着，从内部看，它就像黑洞视界从外部看时规定着黑洞的边界一样（事实上闭合宇宙的最大半径与它在外部观测者眼中的史瓦西半径精确相等）。
　　　　因此可以想象，如果宇宙是闭合的，就必定有一个外部世界，我们的宇宙是其中的一个隐藏在黑洞内的区域。显然，如果这个（仍令人迷惑不解的）假设能得到证明，宇宙学将展开一个全新的领域。
　　　　例如，科学家们首先想知道的是，我们的宇宙是怎样成为一个黑洞的。它是外部宇宙中的一个原初黑洞呢，还是由一个102M质量的“超级恒星”的目力坍缩而形成的呢？这样看来，外部宇宙就不是真空，那里的星系（或许是由我们完全不知道的物质组成的）可以整个地掉进我们的宇宙。
　　　　宇宙作为一个黑洞的最吸引人的结果将是黑洞内物质完全出乎意料的行为。广义相对论指出，恒星在史瓦西半径以内的引力收缩必定以中心奇点为终结。但是，广义相对论是不完整的。由于没有量子引力理论，我们必须承认对支配黑洞内物质行为的定律实际上一无所知。膨胀一收缩的黑洞宇宙似乎暗示着，黑洞内的引力坍缩可以在奇点之前停止。物质的某种最后阻抗，例如一种只在很小距离上才显示出来的强排斥作用，可能造成坍缩恒星的物质“反弹”，类似地，整个宇宙就在极密状态和充满史瓦西球内部的膨胀状态之间无限地振荡。这种行为可能有一天会在所有基本相互作用的统一理论中出现，在这种理论中引力奇点已被消除（见第12章）。
　　　　黑洞宇宙理论最后提出的问题是关于我们宇宙的唯一性。我们的封闭宇宙相对于外部宇宙是处于什么地位呢？也许可以有一个套一个的宇宙等级，也就是黑洞之中又有黑洞。最新的物理理论允许这种“气泡宇宙”的存在。
　　　　这些有点过度的猜测更像是幻想而不是真实。它们在学术机构的研究工作中并不怎么受重视，因为它们实在延伸得超出我们的实际知识太远，而对科学的真正进展又没有什么帮助。或许有一天我们能拥有赖以回答这些问题的理论工具，但是我们决不要欺骗自己：所有这些理论都建立在想象之上，而现实常常与想象大不相同。为了抓住真实世界的哪怕是一个碎片，我们必须用自己的脑和手工作，作千百次的测量，而不是依靠那些过于优美的主意和理论。
　　　　已经到了本书的结尾，我们学到了什么东西呢？我想是的，黑洞的出现无疑标