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总的来说，不同天文学家所估计的宇宙暗物质数量各不相同。可能的情况是，暗物质与发光物质的质量比至少为 10 比 1 ，有时也援引 100 比 1 这类比值。令人吃惊的是，天文学家居然不知道宇宙主要由什么东西组成。他们长期以来认为宇宙的主要成分是恒星，结果发现恒星只占了宇宙总质量中相当小的一部分。
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对宇宙学家来说，关键问题是有没有足够的暗物质能阻止宇宙膨胀。如果能够的话，暗物质的数量与可见物质之比必定更接近 100 倍而不是只有 10 倍。虽然实际情况或许恰恰如此，但这毕竟只是一个纸面上的数值。由于宇宙的最终命运完全取决于这一答案，因而人们寄希望于对暗物质的搜寻会很快给出孰是孰非的明确答案。
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与此同时，一些理论学家相信，只要通过计算就有可能估计宇宙的重量，而无需直接进行困难重重的观测工作。有一种传统信念认为，人类仅仅依靠合理推理的能力便有可能对宇宙的奥秘作出预测，这可以追溯到古希腊哲学家。在科学时代，有些宇宙学家一直企图根据一套深奥的原理，系统地导出一些数学公式，从这些公式应当可以得出数值确定的宇宙的质量。特别诱惑人的那些体系就是根据某种数灵学公式来确定宇宙中粒子准确数目的。这种学究式的冥思苦想一直没有得到大多数科学家的赞同，虽然它们也许很有诱惑力。但是，近年来开始流行一种比较令人信服的理论，因为它对宇宙质量作出了某种明确的预言。这就是第三章讨论过的暴胀演化图象。正如前面所解释的那样，暴胀理论有一项预言涉及宇宙的膨胀速度，其结论接近于观测值。事实上，这项预言比观测值更精确。暴胀相的效应会把宇宙恰好推到临界膨胀速度，结果宇宙正好摆脱自己的引力，并永恒膨胀下去。因此，暴胀理论预言，宇宙所包含的恰好就是临界物质重量，而宇宙便处于继续膨胀和重返坍缩的分界线上。
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就今天的知识水平而言，我们还无法断定宇宙会不会永远膨胀下去。如果它再次收缩，问题便在于这将会在什么时候发生。答案完全取决于宇宙重量超过临界重量究竟有多少。如果超过百分之一，那么在大约 1 万亿年后宇宙将再次收缩；如果超过百分之十，收缩会提早到 1000 亿年后发生。
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如果暴胀理论是正确的话，它同上述问题之间的关系是很有趣的。当然，这种理论的描述是理想化的。严格地说，暴胀相必须延续无限长时间才能达到这个临界值。实际上这个阶段所经历的时间非常短。因此，宇宙的实际质量会比这一临界值稍大一些，或者稍小一些。对前一种情况，坍缩最终总要出现。暴胀理论中很奇怪的一点在于向这个临界值的逼近，是按指数规律极快进行的，这意味着在经过一段极短时间的暴胀之后，宇宙实际上所具有的重量已非常接近这个临界值。因此，宇宙遥远的未来与爆炸后第一秒钟时间内暴胀行为的具体细节有着非常密切的关系。
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为了引入一些数字，可能的情况是暴胀相开始于大爆炸之后仅 10-34 秒。在第三章中我把这段时间称之为一个滴答。暴胀可能延续几百个滴答，然后就结束了。由于时间有限，暴胀必定是不充分的，随后所产生的宇宙其重量非常非常接近而又不完全等于临界值。如果实际重量比临界值来得大，那么经过漫长的岁月，宇宙会再次收缩。
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按指数规律迅速逼近临界值这一事实，意味着宇宙的寿命取决于暴胀相的寿命，而且后者对前者的影响十分敏感。粗略地说，要是暴胀每多坚持一个滴答，宇宙开始再收缩前所经历的时间就会增加 1 倍。因此，譬如说 100 个滴答的暴胀导致宇宙在 1000 亿年后再收缩，那么 101 个滴答会使再收缩发生在 2000 亿年以后，而 110 个滴答的暴胀暗示收缩发生在 102400 亿年以后，依此类推。因为我们对宇宙暴胀是 100 个滴答还是 1000 个滴答一无所知，所以也无法肯定经过多长时间宇宙才开始收缩。但是很明显，这大概总是发生在未来某个很遥远的时刻。除非在数字上出现某种特别的巧合，否则再收缩的时刻应当与我们人类在宇宙中出现并生存下来的时间无关。所以我们可以预料，如果再收缩会发生的话，也只会经过漫长的时间之后才会发生，这段时间是目前宇宙年龄的许多倍。如果情况确实如此（它还取决于暴胀理论所用的方法是正确的），那就是用我们最好的天文观测仪器也无法确定宇宙的重量究竟在临界值的哪一侧。在这种情况下，人类永远不会知道自己所居住的宇宙有着怎样的最终命运。
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宇宙的最后三分钟 第七章 悠悠岁月
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对无限来说很重要的一点是它并不仅仅是一个很大的数。无限与那种只是大得出奇，甚至大得令人无法想象的事物有着完全不同的质的差别。设想宇宙永无终结之日，它能永远存在下去，就意味着应当有无限长的寿命。如果情况确实如此，那么任何物理过程，不管它发展得多么缓慢，或出现的可能性多么的小，都必定有发生的一天。这好比一只猴子在打字机上乱敲，只要一直打下去，最终总会打出威廉·莎士比亚的杰作来。
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我在第四章中已经讨论过的引力波发射现象就是个很好的例子。只有对那些最激烈的天文过程来说，以引力辐射形式损失的能量才会产生显著的变化。地球绕太阳的轨道运动会引起大约 1 毫瓦功率的发射，它对地球运动的影响非常非常小。但是，即使流失功率只有 1 毫瓦，只要延续几万亿年甚至更长的时间，最终也会使地球沿螺旋式的运动轨道落到太阳上。当然，在此之前地球很可能早就被太阳吞食掉了。然而，问题是一些发展得非常慢，因而对人类时标来说可以忽略不计的过程，只要持之以恒，最终总会取得支配地位，从而决定物理系统的最终命运。
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让我们想象在非常非常遥远的未来，譬如说 1 亿亿亿年以后的宇宙状态。那时恒星早已燃烧完毕，宇宙一片黑暗。但是，宇宙并非空无一物。在一片漆黑的浩瀚太空中潜伏着许多带自转的黑洞、离散的中子星和黑矮星，甚至还有一些行星级天体。在那个时代，这类天体的密度是极低的，宇宙已膨胀到现有尺度的 1 亿亿倍。
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引力会竭尽全力进行一场奇特的战斗。膨胀中的宇宙力图使每个天体同其邻居间的距离拉开，而天体相互间的引力吸引则起相反的作用，力图使天体团聚在一起。结果是，天体的某些集团，如星系团或经过数十亿年结构退化后权充的星系，仍然被引力束缚在一起，但这些集团与它们邻近集团间的距离一直在越走越远。这场争斗的最后结局取决于膨胀速度减速过程的具体情况。宇宙中物质的密度越低，越是会促使这些天体集团摆脱开它们的邻居，自由自在地各奔东西。
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在一个引力束缚系统内，缓慢然而却不可抗拒的引力过程发挥了它们的优势。引力波发射虽然很微弱，但不露形迹地在消耗着系统的能量，结果便造成一种缓慢转动的死亡旋涡。死亡的恒星以渐进的方式非常缓慢地接近其他的死星或者黑洞，接着大规模地相互吞食并结合在一起。通过引力波辐射使太阳绕银心的轨道运动衰退下去需要 1 亿亿亿年时间，结果是表现为一个黑矮星残骸悄无声息地滑向银心，在那里有一个巨大无比的黑洞正等待着把它吞食掉。
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但是，死亡了的太阳并非一定会以这种方式接受自己的葬礼。因为当它慢慢地向内漂移时，偶尔也会遇到其他一些恒星。有时它会接近一个双星系统——被引力作用紧紧拥抱而锁在一起的一对恒星。接下来的一段时间涉及到称为引力弹弓的一种奇特现象。处在互绕轨道上的两个天体所表现的运动方式之简单是很典型的。正是这类问题使开普勒和牛顿为之着迷，并促成了现代科学的诞生，他们所研究的是行星绕太阳的转动。在理想情况下，同时不考虑引力辐射，那么行星的运动是规则的，而且是周期运动。不管你等待多久，这颗行星会在完全相同的轨道上一直运动下去。但是，如果有第三个天体存在，譬如说一颗恒星和两颗行星，或者三颗恒星，情况就完全不同了，这时不再是简单的周期性运动。三个天体间相互作用力的图象总是以一种复杂的方式在不断地改变。结果，系统的能量并不是均分给它的各个成员，即使对完全相同的天体也不例外。相反，出现的是一场复杂的舞蹈，在这场舞蹈中，一个天体先获得最大的能量份额，接着便轮到另一个天体。经过很长时间之后，系统的行为可以是完全随机的：事实上，引力动力学的三体问题是所谓混沌系统的一个很好的例子。其中两个天体碰巧会结成一帮，并把它们的大部分能量赋予第三个天体，结果后者便会一下子完全弹出这个系统，就像弹弓射出的弹子一样。引力弹弓这个名称便由此而来。
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这种弹弓机制可以把恒星抛出星团，或脱离整个星系。在遥远的未来，绝大多数死星、行星和黑洞会通过这种方式被抛入星系际空间，它们也许会遇到另一个正在瓦解中的星系，或永远漫游在膨胀着的浩瀚太空之中。但是，这个过程是缓慢的：所需的时间是今天宇宙年龄的 10 亿倍。相反，剩下百分之几的天体会向星系中心移动，并合并而形成一些巨大的黑洞。
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正如第五章中所解释的那样，天文学家有很好的证据表明，在某些星系中心已经存在有大黑洞，它们正贪婪地吞食作涡状转动的气体，其结果是释放出巨大的能量。总有一天，等待大多数星系的会是这种疯狂的吞食，并一直持续到黑洞周围物质或者被吸食一空，或者被逐出星系。然后，这个吃饱了的黑洞便会保持宁静状态，只是偶尔窜入一些游荡的中子星或小黑洞。但是，这决不是黑洞故事的终结。 1974 年，英国数学物理学家霍金发现，黑洞毕竟不是完全黑的；相反，它们在发射一种微弱的热辐射辉光。
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要想完全理解霍金效应只能依靠量子场论，这是物理学中一门深奥的分支学科，在第三章涉及到大爆炸的暴胀理论时我已隐隐提到过。回忆一下，量子理论的一条基本定则是海森伯不确定原理。根据这一原理，量子的所有属性都不具有非常确定的数值。例如，就某一特定时刻来说，光子或电子都不可能具有确定的能量值。在日常的工程领域里能量是守恒的，而在亚原子量子范畴能量可以变化，这种变化自发地出现，而且不可预见。所考虑的时间间隔越短，这种随机量子涨落就越大。事实上，粒子可以“借贷”能量，只要它马上偿还就行。能量借贷得越多，偿还也就越快。
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在第三章中我已经解释过，能量不确定性导致某些奇特的效应，诸如在表观上空无一物的空间中存在着短寿命粒子，即虚粒子。它们瞬现即逝，寿命极短。由此便引出了“量子真空”这一陌生的概念。量子真空完全不同于真空，它充满了生机：翻腾不已的虚粒子在永无止息地运动着。虽然通常情况下这种活动不会引人注目，但是它可以引起一些物理效应，如真空活动由于引力场的存在 而受到扰动时便会出现这类效应。根据爱因斯坦广义相对论，引力场表现为空间的翘曲，或者说弯曲。当我们考虑到空间中存在虚粒子活动时，在虚粒子登台表演的空间中，空间翘曲便会明显地影响虚粒子的具体活动过程。一种极端情况发生在黑洞附近。这时，出现在黑洞外面的虚粒子可以在它再消失之前穿过黑洞表面进入黑洞。这会引起通过海森伯不确定原理借贷能量的计量系统发生混乱，因为在黑洞外部借到的能量还到了黑洞内部，而反之亦然。因此，能量可以从黑洞传递给它附近的某个虚粒子，并且永不返回黑洞，从而完全还清了海森伯债务，并使虚粒子变成实粒子。于是，这个粒子便可以自由自在地飞向任何地方。霍金发现，这种量子混乱的结局是粒子会在黑洞附近创生出来，而且其中许多粒子会远远地飞离黑洞环境。
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霍金效应只对微黑洞来说是重要的。因为虚电子在它的借贷还清之前最多可移动约 10-11 厘米，要使电子（以及正电子）能得以创生，所适用的仅仅是核尺度或更小尺度的黑洞。但是，虚光子的情况就不同了。虚粒子的寿命，以及它在消失前可渡越的距离都取决于它的能量。对一个电子来说，它有某种最小能量，即由静止质量所代表的能量（请记住 E = mc2 ）。但是，光子具有零静止质量，因此它的能量要有多低就有多低，这意味着任何尺度的黑洞都会创生光子。但是，诸如一个太阳质量的黑洞只会产生极低能量的光子。在那种情况下霍金效应是非常微弱的。
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这里用非常微弱这个词是毫不夸张的。霍金发现，黑洞产生的能谱和热物体的辐射能谱是相同的，因而可以用温度来表示霍金效应的强度。对核大小尺度的黑洞（ 10-13 厘米）来说，温度是很高的，约为 100 亿开。作为比较，一个太阳质量的黑洞的尺度约为 1 公里，因而其温度比绝对温标千万分之一度还低。这样一个天体的全部霍金辐射不超过一千亿亿亿分之一瓦。
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霍金效应的奇特性质之一是随着黑洞质量和尺度的减小，其辐射温度变得越来越高。这意味着小黑洞的温度比大黑洞来得高。黑洞在辐射过程中要损失能量，因而也就损失质量，于是黑洞便收缩。结果它变得更热，更为强烈地发出辐射，因此收缩得也更快。这个过程就其内禀性质来说是不稳定的。随着黑洞以越来越快的速率发射能量和收缩，它最终便进入失控状态。
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要是完全相信霍金效应，那么它便预言所有的黑洞最终会在一阵快辐射中一下子消失掉。这最后的时刻应当是壮观的，就像一颗大型原子弹爆炸，在突然发出一阵短暂而强劲的热能之后，一切便化为乌有。这至少是霍金理论所推断的结果。但是，一些物理学家并不乐意接受一个有形天体会坍缩成黑洞，转而又消失殆尽，留下的只是热辐射。他们担心很不相同的两个天体在寿终正寝之际所产生的热辐射却是完全相同的，没有留下有关原始天体的任何信息。这种消失行为同受人珍爱的所有各种守恒定律相违背。另一种建议是蒸发黑洞遗留下一小片残骸，它以某种方式包含了大量的信息。不管哪种结果，黑洞的绝大部分质量总是以热和光的形式辐射掉。
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霍金过程之慢几乎令人难以置信。一个太阳质量的黑洞要花 1066 年时间才会消失，而一个超大质量黑洞所需的时间则超过 1093 年。更有甚者，这种过程要在宇宙背景温度低于黑洞温度之时才会开始，在这之前从周围宇宙空间流进黑洞的热量会超过通过霍金效应从黑洞向外流出的热量。目前，大爆炸留下的宇宙背景热辐射大约是绝对温标 3 开，要进一步冷却到使一个太阳质量的黑洞有净热量损失需要 1022 年。霍金过程不是坐等可见的事情。
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