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这些引力过程的意义在于，在恒星的核燃烧结束后，它的死亡之旅仍是漫漫无期的。作为一个坍缩后的残骸，它还有潜力通过引力释放能量，而且远远超过当它还是个灼热气体球时由热核过程所放出的能量。当这个事实大约在 20 年前被人们认识之时，物理学家约翰·惠勒（ John wheeler ，他是最早提出“黑洞”这个词的人）设想有那么一个文明世界，由于它们对能量的需求不断增加，结果便放弃了自己的恒星，并在一个自转黑洞周围安居下来。每天，这个社会的废物被装上载重卡车，并通过一条经仔细计算过的弹道送往那个黑桐。在接近黑洞时，卡车上的废物就卸下来倒入黑洞。通过这种方式，废物便一劳永逸地处理掉了。下落的废物沿着与黑洞自转方向相反的路径飞行，它会影响黑洞的自转，使自转速率稍稍减慢。于是，黑洞的自转能就释放出来，而文明世界便可以利用它为自己的工业提供能源。因此，这个过程具有彻底销毁一切废物并把它们完全转变成能量两大优点！文明世界可以在需要的时候通过这种方式，从死亡之星获取能量，而且能量的供应要比恒星在核燃烧阶段所发出的大得多。
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虽然利用黑洞能是一种科学幻想，但是，许多物质将会在黑洞内自然地寿终正寝。它们可以是坍缩恒星的一部分，也可以是偶然相遇而被吞食的碎片。凡是在我作黑洞讲演的时候，人们老是要问进入黑洞的东西会发生什么情况。简单的答复是：我们不知道。老实说，我们对黑洞的认识几乎完全基于理论考虑和数学模型。事实上，按黑洞的定义，即使我们非常靠近黑洞来进行观测（这是做不到的），我们不能从外部世界观测到黑洞的内部，也永远不可能知道它里面发生什么情况。然而，首先用来预言黑洞存在的相对论，也可以用来预言宇航员在掉进黑洞时的经历。下面便是这种理论推测的大致情况。
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黑洞的表面实际上只是一种数学图象，那里没有真正的一层“膜”，而只是一无所有的空间。那位下落中的宇航员在进入黑洞时，看不到任何在物理学意义上特别与众不同的情景。但是，这个表面确实有着某种引人注目的物理学含义。黑洞内部的引力非常强，能俘获光，也就是把向外跑的光子重新拉回来，这意味着光无法逃离黑洞。黑洞之所以从外面看上去是黑的就是这个原因。因为没有一种物体或者信息可以比光跑得更快，所以任何东西一旦进入黑洞就没法逃出去。黑洞内所发生的事件对外部观测者来说永远是个秘密。因此，黑洞的表面被称作“事件视界”，因为它把从远处可以目睹的外部事件与不可目睹的内部事件分隔开来了。但是，这个效应仅是事情的一个方面。当宇航员进入事件视界以内的区域，他仍然可以看到外部世界，尽管在外面的任何入永远也不能再见到他。
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当宇航员越来越深入黑洞时，引力场变得更强了。有一种效应使他的身体变形。如果他下落时脚在前面，那么他的双脚就比他的头更接近黑洞中心，因而脚所处的引力更强些。结果、他的脚所受到的往下拉的力会比头部更利害，这样一来他就拉长了。与此同时，他的双肩会沿着向中心会聚的方向拉向黑洞中心，所以他的两边便要受到侧向的挤压。这种拉长和挤压的过程有时称作拉面过程( Spagehitiffication )。
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理论研究表明，在黑洞中心引力的增强是没有上限的。因为引力场表现为时空的弯曲，或者说翘曲，所以随着引力的不断增强，时空扭曲也就无止境地越来越利害。数学家把这种特征称作时空奇点。它代表空间相时间的边界（或者说边缘），穿过这个边界，正常的时空概念不再连续。许多物理学家相信，黑洞内的这个时空奇点名副其实地代表了空间和时间的终结，与它相遇的任何物质将会完全湮没。如果情况确实如此，那么组成宇航员身体的原子其至会在 1 纳秒的超级拉面过程中在这个奇点内化为乌有。
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要是黑洞的质量为 1000 万个太阳质量，即与银河系中心可能存在的黑洞质量差不多，那么，这位宇航员从事件视界向湮没奇点下落所经历的时间大约为 3 分钟。这最后的 3 分钟会是很不舒服的。实际上，早在到达奇点之前，拉面过程就已把这个不幸的人杀死了。在这最后阶段，他是无论如何也见不到那个即将完全毁灭他的奇点的，因为光不可能从奇点逃逐出来。只有一个太阳质量的黑洞其直径大约为 1 公里，对于这样黑洞，从事件视界到奇点的旅程只需要几微秒。
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虽然从这位下落宇航员的参考系来看，毁灭前的时间只是一瞬间，但从远处来看，黑洞的时间扭曲使得宇航员最后的旅程表现为一种慢动作。当宇航员接近事件视界时，在他附近事件发生的过程对遥远的观测者来说似乎变得越来越慢。事实上，宇航员似乎必须要经过无限长的时间才能到达事件视界。所以，宇航员仅仅在一阵疾驰中便经历了相当于外部宇宙中无穷无尽的时间，就这个意义上说，黑洞是通往宇宙尽头的门槛，是一条宇宙死胡同，它代表了再也没有通路的最终实体。黑洞是包含了时间尽头的狭小空间区域。谁要是对宇宙尽头感到好奇的话，只要跳进一个黑洞就可以得到亲身体验了。
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虽然引力是自然界最微弱的力，但是它在不知不觉中累积起来的作用不仅决定了单个天体，而且也决定了整个宇宙的最终命运。压碎恒星的那种残酷无情的吸引力，同样作用在尺度要比恒星大得多的整个宇宙上。这种万有引力的结局完全取决于产生引力的物质总量。为此，我们必须称出宇宙的重量。
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宇宙的最后三分钟 第六章 给宇宙过磅
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人们常说有上必有下。引力对抛向天空的物体所起的作用是要阻止物体的飞行，并把它拉回地球。但是，事情并不总是如此。如果物体的运动速度足够快，就可以完全摆脱地球的引力，结果它就能飞入太空而永不返回。发射行星际空间飞船的火箭就能达到这么高的速度。
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临界“逃逸速度”大约为每秒 11.2 公里（每小时 4 万公里），这相当于协和式飞机速度的 20 倍以上。临界速度可以从地球的质量（地球所包含的物质的数量）和半径导出。对一定质量的物体来说，直径越小，表面引力越大。脱离太阳系意味着要克服太阳的引力。太阳的逃逸速度为每秒 16.7 公里。想要脱离银河系向外逃逸就得有每秒几百公里的速度。在另一个极端，如对于中子星一类致密天体，逃逸速度为每秒几万公里，而对黑洞来说逃逸速度就是光速（每秒 30 万公里）。
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脱离宇宙的速度有多大呢？在第二章中我已指出，宇宙看来没有边界，也就无从逃离。不过要是我们暂且假定有这样的边界，而且它处于我们的观测极限处（约离我们 150 亿光年），那么，逃逸速度大约要达到光速。这是一个极有意义的结果。因为大多数遥远的星系看上去正在以接近光的速度远离我们退行，要是就取这个数值，那么星系看上去正在以很高的速度向远处运动，因而实际上它们恰好可以“逃离”宇宙，或者至少它们是在相互远离，并且“永不返回”。
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事实上，膨胀宇宙尽管没有十分明确的边界，它的行为却同地球上抛起的物体十分类似、如果膨胀速度足够大，退行中的星系就会克服宇宙中所有其他物质的总引力而逃逸出去，于是膨胀将会永远持续下去。另一方面，如果膨胀速度太低，膨胀最终会停下来。接着宇宙便开始收缩。那时，星系将再次“掉回来”。随着整个宇宙的坍缩，按理而来的便是宇宙的最后一次大灾难。上述两种景象中我们面临的是哪一种呢？答案取决于两个数字的较量。一方面是膨胀速度，另一方面是宇宙的总引力，后者实际上就是宇宙的重量。吸引力越大，宇宙必须膨胀得越快才能将之克服。天文学家可以直接从红移效应对第一个量加以测定。我在第一章中已经解释过，这个答案仍然存在某种争议，所以在撰写本书之时保守—点说，现在所知道的数值可能有上下 1 倍的误差。但是，第二个量的问题就要大得多了。
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怎样称出宇宙的重量呢？这个问题看上去令人束手无策。很清楚，我们不可能直接做到这一点。然而，我们也许能借助引力理论来推算出它的重量。要得出这个值的下限并不难。从太阳对行星的引力可以称出太阳的重量。我们知道，银河系包含大约 1000 亿颗其质量类似太阳质量的恒星，这就大致给出了星系质量的下限值。现在我们可以估计宇宙中一共有多少个星系。把它们逐个累加起来是不可能的，因为数目太大了。但是，一种合理的估计是 100 亿个。于是就得出总重量为 1021 太阳质量，或者说约 1048 吨。只要知道这个星系超级大家庭的半径，我们便可计算宇宙逃逸速度的极小值：答案是约为光速的百分之一。由此我们可以得出这样的结论：如果宇宙的重量仅仅来自恒星，它便可以解脱自身引力的束缚，永恒地持续膨胀下去。
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许多科学家对此确信无疑，但不是所有的天文学家和宇宙学家都相信这样求和的办法是正确的。我们看到的物质同实际存在的物质相比，显然估计过低，因为宇宙中的天体并不都是发光的。诸如暗星、行星和黑洞一类的暗天体，大多数我们都没有注意到。更有大量的尘埃和气体，它们绝大部分都难以察觉。此外，也难以想象星际空间完全空无一物，那里也许有大量稀薄的气体存在。
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然而，这几年来一种更有吸引力的可能性激起了天文学家的浓厚兴趣。宇宙起源于大爆炸，而大爆炸不仅是我们所看到的一切物质的本源，也是我们现在看不到的许多物质的本源。如果宇宙最初是一种灼热的亚原子粒子汤，那么除了人们所熟悉的电子、质子和中子（它们构成了你、我以及我们周围的其他普通东西）之外，也必然生成过粒子物理学家最近才在实验室内识别出来的所有其他各种粒子，而且数量很大。人们发现这些其他种类粒子中的大多数是很不稳定的，很快就发生衰变，但有一些也许便作为原初宇宙的遗骸而留存在今天的宇宙中。
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在这些遗骸中主要是中微子，现已证实这种幽灵般的粒子在超新星中极为重要（见第四章）。据我们迄今所知，中微子不能衰变成任何别的东西（实际上，有 3 种不同类型的中微子，它们之间也许能相互转变，不过这里我们不考虑这种复杂情况）。因此成们认为宇宙应当沉浸在大爆炸留下的宇宙中微子海洋中。只要假定大爆炸的能量对所有各类亚原子粒子均分，就能计算出总共应有多少个宇宙中微子。由此，得出的结果是大约每立方厘米空间有 100 万个中微子，或者说每立方分米约有 10 亿个中微子。
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我始终对这个惊人的结果极感兴趣。在任意给定的时刻，你的身体里就有大约 1000 亿个中微子，它们几乎全是大爆炸的遗骸，并且自最初存在的 1 毫秒以来就保存了下来，而且基本上没有受到任何破坏。因为中微子以光速或接近光速的速度运动，它们闪电般地穿过你，结果每秒钟就有 1 万亿亿个中微子穿透你的身体。由于中微子与普通物质间的作用极为微弱，完全可以忽略不计，因此这种不停顿的侵袭丝毫不为我们所察觉，而且在你的一生中甚至可能没有一个中微子会留在你的身体里。尽管如此，在看上去似乎空无一物的宇宙空间里有这么多中微子存在，这对宇宙的最终命运具有深远的影响。
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虽然中微子的相互作用异常微弱，但它们确实与所有的粒子一样会产生引力。它们或许并不直接对周围的其他物质产生推和拉的作用，但有可能证实它们的间接引力效应对增加宇宙的总重量是至关重要的。为确定中微子的贡献有多大，必须对它们的质量作一番了解。
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以快速运动的粒子来说，质量是个难以捉摸的概念。那是因为物体的质量并不是一个固定不变的量，而是取决于物体的速度。例如，如果 l 千克的铅球以每秒 260000 公里的速度运动，便会重 2 千克。这里的关键因素是光速。物体的速度越接近光速，它的质量就越大，而且质量的这种增大是没有极限的。因此为了不至发生混淆，物理学家在谈到亚原子粒子的质量时，都是指静止质量。如果粒子以接近光的速度运动，它的实际质量也许是它的静止质量的很多倍。例如，在大型粒子加速器内部，作回旋运动的电子和质子的质量可达到它们静止质量的好几千倍。
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至于重力，它是实实在在的，而不是算出来的静止质量。尽管中微子的静止质量可能非常小，但由于中微子以接近光的速度运动，它们也许有很大的质量。事实上，它们甚至可能有零静止质量，而运动的速度正好等于光速。达时，它们的实际质量必须根据它们的能量来确定，而对于残留下来的宇宙中微子来说，后者又可以通过理论计算从在大爆炸中所获得的能量推导出来，同时必须考虑宇宙膨胀的衰减效应并加以修正。这种做法所得出的具有零静止质量的中微子对宇宙的总重量并没有重大的贡献。
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另一方面，我们不能肯定中微子确实具有零静止质量。从理论上说，我们今天对中微子的认识并不诽除它具有有限的静止质量。因此，这就变成了一个需要判别究竞是哪一种情况的实验问题。第四章中已经提到，如果中微子有静止质量，那么它肯定是非常小的，要比其他任何已知粒子小得多。但是，宇宙中有这么多的中微子，即使是微小的静止质量也会使字宙总重量发生重大变化。这是一个需要仔细权衡的问题。即使质量小到电子（已知最轻的粒子）质量的万分之一，也足以产生重大的影响：中微子的总质量会超过所有恒星的总重量。
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要探测这么小的静止质量十分困难，实验得出的各种结果既混乱而又相互矛盾。碰巧，人们探测到了超新星 1987A 发出的中微子，它提供了一条重要的线索。如果中微子有零静止质量，那么所有的中微子必定都以严格相同的速度（光速）运动。另一方面，如果中微子有很小的非零静止质量，那末速度可能就有个范围。超新星发出的中微子可能具有很高的能量，所以即使它们确实具有非零静止质量，也会以非常接近光的速度运动。但是，因为这些中微子要在太空中作长时间的旅行，即使有微小的速度变化．也会引起到达地球的时间上的变化，而这种变化是可以测量出来的。研究来自超新星 1987A 的中微子在时间分布上的跨度，可以得出中微子静止质量的上限为电子质量的三万分之一。遗憾的是情况要比这来得复杂，因为已经知道存在着不止一种中微子。大多数有关静止质量的测定工作都是指泡利最初假定的那种中微子，但自从这类中微子发现以来，已经找到第二种中微子，并推断有第三类中微子存在。所有这三类中微子在大爆炸中都会大量地产生出来。直接确定另外两类中微子的质量范围是很困难的。实验表明，可能取的数值范围依然很宽。不过最近理论学家的流行观念正转为反对中微子可能在宇宙质量中占主导地位。但是，这种观念可能得容易被新的中微子质量实验测定结果所推翻。
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