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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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尽管永远这个词是一段漫长的时间，但只要永远发展下去，一切黑洞，即使是超大质量黑洞，都可能会消失。它们的死亡是痛苦的，但只是漆黑的宇宙永恒夜幕中一道道瞬现即逝的闪光，一种一闪而过的象征性墓志铭，上面记载着以往曾经存在过 10 亿颗辉煌的太阳。
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留下的是些什么呢？
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并非所有的物质都会掉进黑侗。我们必须考虑到中子星、黑矮星及那些孤独飘泊在浩瀚无垠的星系际空间中的离群行星；更何况还有那些从来不曾凝聚成恒星的稀薄气体和尘埃，以及在恒星系统中到处乱跑的那些小行星、彗星、流星体和古里古怪的岩石块。这些东西能永恒地存在下去吗？
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这里我们遇到了一些理论上的困难。我们必须知道原始物质——构成你、我以及地球的原材料——是否是绝对稳定的。决定最终命运的关键在于量子力学。虽然通常情况下量子过程所涉及的对象是原子系统和亚原子系统，但量子物理学的定律适用于一切事物，包括宏观物体。尽管大物体的量子效应极其微弱，但经过很长时间以后，这些效应仍然可以引起一些重要的变化。
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量子物理学的特征标记是不确定性和概率。在量子领域，除了赌博式的可能性之外，任何东西都是不确定的。这意味着如果一个过程不管怎么说总会有可能发生，那么无论这种可能性有多小，只要有足够长的时间它最终总是会发生的。我们可以以放射性为例来观察这个规律如何发挥作用。铀 238 核几乎是完全稳定的，但是它有很小的概率会释放一个 α 粒子并嬗变成钍。更确切地说，如果给定一个铀原子核，那么它在单位时间内会有某种很小的概率发生衰变。平均说来，大约 45 亿年发生一次。但是，因为物理学定律要求单位时间某种固定的概率，任意给定的铀核最终肯定要发生衰变。
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发生 α 放射性衰变的原因是组成铀原子核的粒子（质子和中子）在位置上有很小的不确定性。同样，固体中原子的精确位置其不确定性就更小了，但仍并不为零。例如，金刚石上的一个碳原子处于晶体内非常确定的位置上，并且在宇宙遥远的未来其温度接近绝对零度时，这个位置也是极其稳定的。但情况并不完全如此，碳原子的位置总是存在着微小的不确定性，这意味着存在微小的概率使碳原子有可能自发地跳出它在晶格中的位置，并出现在另外某个地方。由于这种移动过程，没有一样东西是真正坚固不变的，即使硬如金刚石那样的物质也不例外。相反，表观上的固态物质就像是一种超粘滞液体，在漫长时间里它可以通过量子力学效应发生流动。物理学家弗里曼·戴森( Freeman Dyson )曾估计过，大约 1045 年以后不仅每块仔细切割过的金刚石会变成球珠，而且每块岩石也同样会发生形变而成为光滑的球。
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要是时间更长，量子不确定性还会导致核嬗变。例如，考虑金刚石晶体中两个相邻的碳原子，其中一个碳原子在非常偶然的机会下会自发地发生位移，结果使它的核在一瞬间内恰好出现在相邻那个原子的核的附近。这时核引力就有可能使这两个核子发生聚变而形成镁原子核，所以核聚变不一定要求很高的温度。冷核聚变是可能的，但它需要的时间之长令人难以置信。戴森曾估计过，在 101500 年（也就是 1 后面有 1500 个零！）之后，所有的物质将以这种方式擅变成最稳定的原子核，即元素铁。
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但是，可能的情况是核物质无论如何也不会存在这么长时间，这是因为另有一些嬗变过程尽管这些过程慢得出奇，但相比之下进行得会快一些。戴森的估计中假设质子（和束缚于核内的中子）是绝对稳定的。换句话说，如果一个质子不落入黑洞，也不受到其他形式的干扰，那么它将永恒存在下去。但是，我们能肯定情况确实如此吗？在我的学生时代，没有人会怀疑这一点。质子是永恒的，它们应该是完全稳定的粒子。但是，关于这一点始终存在着一个令人困惑的疑问，它涉及到称为正电子的粒子。除了像质子一样带有正电荷外，正电子与电子是完全相同的。正电子比质子轻得多，因此所有其他方面都与正电子相同的质子应当更愿意嬗变成正电子（这是一条深奥的物理学原理，即物理系统力图达到它们的最低能态，而低质量即意味着低能量）。因为没人知道为什么质子并没有简单顺利地发生这样的嬗变，物理学家便简单地假设存在某种阻止这类事件发生的自然规律。直到最近，对这个问题还完全没有很好的理解。不过，在 70 年代未出现了一种关于嬗变方式的较为清晰的图象，而各种力就是通过这种方式激励粒子按量子力学规律互相嬗变。最近的一些理论都作为某种公设用到了这条阻止质子衰变发生的定律，但其中大多数理论也预言这条定律并非百分之百地有效。可能存在着非常非常小的概率，会使某个质子事实上嬗变成一个正电子。
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在某种最简单的理论模型中，质子发生衰变所需的时间平均为 1028 年，这是宇宙目前年龄的 1 百亿亿倍。因此，或许你会猜想，质子衰变这一课题应当属于某种纯学究式的好奇性。但是，必须记住这是个量子力学过程，因此事实上它的内禀性质具有或然性： 1028 年是预期的平均寿命，并不是每个质子的实际寿命。只要有足够的质子，就会有很大的机会使其中一个质子在你眼皮底下发生衰变。事实上，如果有 1028 个质子，那么你可以预期大约每年发生一次质子衰变，而只要 10 千克物质就包含有 1028 个质子。
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