第一章我們的宇宙圖像
如果宇宙是無限而且靜止的,則每一道光線都會(huì)終結(jié)于一個(gè)恒星上,使得夜空和太陽一樣明亮。
似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻,它們剛好在同一地方,所以那時(shí)候宇宙的密度為無限大。這個(gè)發(fā)現(xiàn)最終將宇宙開端的問題帶進(jìn)了科學(xué)的王國。
哈勃的觀測(cè)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻,當(dāng)時(shí)宇宙的尺度無限小,而且無限緊密。在這種條件下,所有科學(xué)定律并因此所有預(yù)見將來的能力都崩潰了。如果在這個(gè)時(shí)刻之前有過一些事件,它們將不可能影響現(xiàn)在發(fā)生的東西。因?yàn)樗鼈儧]有任何觀測(cè)的后果,所以可不理睬其存在。由于更早的時(shí)間根本沒有定義,所以在這個(gè)意義上,人們可以說,時(shí)間在大爆炸時(shí)有一開端。必須強(qiáng)調(diào)的是,這個(gè)時(shí)間的開端和早先考慮的非常不同。在一個(gè)不變的宇宙中,時(shí)間的端點(diǎn)是必須由宇宙之埃德溫·哈勃(1889~1953)在1924外的存在物賦予的某種東西;宇宙的開端年拍攝于威爾遜山天文臺(tái)并沒有物理的必然性。人們可以想象上帝是設(shè)想在大爆炸之前創(chuàng)生宇宙是沒有意義的。大爆炸宇宙并沒有排斥造物主,只宙,如果宇宙正在膨脹,那么何以宇宙有不過對(duì)他何時(shí)從事這工作加上限制而已!個(gè)開端似乎就有了物理的原因。上帝是在大爆炸的瞬間創(chuàng)生是否存在啟始或終結(jié)的問題,你必須清楚宇宙,或者甚至在更晚的時(shí)刻,以使它看什么是科學(xué)理論。我將采用素樸的觀點(diǎn),起來就像發(fā)生過大爆炸似的方式創(chuàng)生,但即理論只不過是宇宙或它的受限制的部分的模型,以及一族把這模型中的量和我們做的觀測(cè)相聯(lián)系的規(guī)則。它只存在于我們的頭腦中,不再具有任何其他(不管在任何意義上)的實(shí)在性。一個(gè)好的理論必須滿足以下兩個(gè)要求:首先,這個(gè)理論必須能準(zhǔn)確地描述大量的觀測(cè)——這些觀測(cè)是根據(jù)只包含少數(shù)任選的元素的模型所做出的;其次,這個(gè)理論能對(duì)未來觀測(cè)的結(jié)果作出明確的預(yù)言。例如,亞里士多德相信恩貝多克利的關(guān)于任何東西是由四元素土、氣、火和水組成的理論,該理論是足夠簡單的了,但它沒有做出任何明確的預(yù)言。另一方面,牛頓的引力理論是基于甚至更為簡單的模型,在此模型中兩物體用一種力相互吸引,該力和被稱為它們質(zhì)量的量成正比,并和它們之間的距離的平方成反比。然而,它以很高的精確性預(yù)言了太陽、月亮和行星的運(yùn)動(dòng)。
在只是一個(gè)假設(shè)的意義上來講,任何物理理論總是臨時(shí)性的:你永遠(yuǎn)不可能證明它。不管多少回實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和某個(gè)理論相一致,你永遠(yuǎn)不可能斷定下一次結(jié)果不和它矛盾。另一方面,哪怕你只要找到個(gè)和理論預(yù)言不一致的觀測(cè)事實(shí),即可證偽之。正如科學(xué)哲學(xué)家卡爾·波普強(qiáng)調(diào)的,個(gè)好的理論的特征是,它能給出許多在原則上可以被觀測(cè)否定或證偽的預(yù)言。每回觀察到與這預(yù)言相符的新的實(shí)驗(yàn),則這理論就存活,并且增加了我們對(duì)它的信任度;然而若有一個(gè)新的觀測(cè)與之不符,則我們只得拋棄或修正這理論這被認(rèn)為是遲早總會(huì)發(fā)生的事,但是…
你總可以質(zhì)疑實(shí)現(xiàn)該觀測(cè)的人員的能力。在現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常發(fā)生的是,設(shè)計(jì)出的新理論實(shí)際上是原先理論的一個(gè)擴(kuò)展。例如,非常精確地觀測(cè)水星,發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)和牛頓引力理論預(yù)言之間有一個(gè)微小的差異。愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了和牛頓理論略微不同的運(yùn)動(dòng)。愛因斯坦的預(yù)言和觀測(cè)到的相符合,而牛頓理論做不到,這個(gè)事實(shí)是對(duì)這個(gè)新理論的一個(gè)關(guān)鍵的證實(shí)。然而在我們正常處理的隋形下,牛頓理論和廣義相對(duì)論的預(yù)言之間差異非常小,所以為了所有實(shí)用的目的,我們?nèi)匀皇褂门ｎD理論。(牛頓理論還有個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn),用它計(jì)算比用愛因斯坦理論簡單多了!)
第二章空間時(shí)間
亞里士多德的觀點(diǎn)是物體的自然狀態(tài)是靜止的 。只有受力或沖擊的推動(dòng)時(shí)，才運(yùn)動(dòng)。而且他認(rèn)為重物比輕物下落的快，人們可以依靠純粹思維，即可找到所有制約宇宙的定律， 不必要用觀測(cè)去檢驗(yàn)之。但不甘心的伽利略，做了一個(gè)廣為流傳的實(shí)驗(yàn)，他從比薩斜塔上將重落下，雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性無從考證。但伽利略的確做過，讓不同重量的小球沿光滑的斜面上滾下，結(jié)果無論重量多少，速度增加的速率一樣。為此，航天員大為·斯格特在月球上，進(jìn)行了羽毛和千錘實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)倆者同時(shí)落地。進(jìn)一步驗(yàn)證了伽利略的理論。伽利略的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：力總是改變物體的速度，若不受外力，則已同樣的速度保持直線運(yùn)動(dòng)。牛頓于1687年發(fā)表了著名的《數(shù)學(xué)原理》，也就是《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。他的幾個(gè)著名的定律包括：牛頓第一定律（慣性定律）：力是保持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。牛頓第二定律：F=ma它強(qiáng)調(diào)，力的作用效果。物體在被加速或改變其速度時(shí)，其改變率與所受的外力成正比，與質(zhì)量成反比。牛頓第三定律：F1=F2兩物體間作用力和反作用力，在同一直線，大小相等，方向相反。萬有引力定律：F=（Gm1m2）╱r2亞里士多德相信一個(gè)優(yōu)越的靜止?fàn)顟B(tài)，可以給世界一個(gè)指定的絕對(duì)的空間位置，但科學(xué)家牛頓，是一位有懷疑精神的人，他從來都是用批判的眼光看待事物。他重新思考，認(rèn)為運(yùn)動(dòng)和靜止是相對(duì)的，不存在絕對(duì)的位置或絕對(duì)空間。因?yàn)榕ｎD的非理性的宗教信仰，即便他的定律隱含著絕對(duì)空間的不存在，雖然，這是超前的科學(xué)的思想，但受信仰的影響，他自己拒絕接受，即使這樣，同樣受到許多人的嚴(yán)厲批評(píng)。亞里士多德和牛頓都相信絕對(duì)時(shí)間，人們可以不含糊的測(cè)量兩個(gè)事情之間的間隔時(shí)間，相對(duì)于空間是完全分離并且獨(dú)立的，這個(gè)理論，可以處理慢動(dòng)作，但對(duì)于光速可是行不通的。
1676年，丹麥天文學(xué)家，歐·克里斯琴森·羅默，光是以有限，但非常高的速度旅行，他觀察到，我們離木星越遠(yuǎn)，木星的月食出現(xiàn)的越晚，這說明，木星的衛(wèi)星不是以等時(shí)間相隔，從木星背后出來。在牛頓的著作面世11年后，他測(cè)量了光速為140000英里每秒，可謂卓越的成就！1865年，英國物理學(xué)家，詹姆士·克拉克·麥克斯韋，研究出光傳播的正確理論——電力和磁力統(tǒng)一起來。麥克斯韋方程：在合并的電磁場(chǎng)中，可以存在波動(dòng)的微擾，并以固定的速度進(jìn)行。假設(shè)光以固定的速度旅行，人們就必須說清，這個(gè)固定的速度是相對(duì)于何物來測(cè)量的。人們提出，可能存在著一種無所不在的為“以太”的物質(zhì)。1887年，阿爾伯特·邁克耳孫和愛德華·莫雷做實(shí)驗(yàn)，將沿地球運(yùn)動(dòng)方向以及垂直于方向的光速，進(jìn)行比較，光速完全一致。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦，當(dāng)時(shí)還是瑞士專利局的職員的他跨時(shí)代的提出，如果拋棄時(shí)間絕對(duì)時(shí)間，整個(gè)“以太”觀念是多余的 。科學(xué)家龐加萊，也曾以數(shù)學(xué)問題的角度，加以論證，即便現(xiàn)在將最新理論歸功于愛因斯坦，人們也不會(huì)忘記他。 愛因斯坦方程：E=m2c(E能量 m質(zhì)量 c光速)由于質(zhì)量和能量的等價(jià)原理，當(dāng)一個(gè)物體速度接近于光速時(shí)，質(zhì)量也隨之變得無限大，能量也無限大。所以，任何正常的物體永遠(yuǎn)以低于光速的速度運(yùn)行。只有光或其他沒有內(nèi)稟質(zhì)量的波，才能以光速運(yùn)動(dòng)。
對(duì)于光的定義，光在以銫原子鐘測(cè)量的0.000000003335640952秒內(nèi)進(jìn)行的距離，(現(xiàn)保存在巴黎的特定鉑棒上的兩個(gè)刻度之間的距離)我們常用三點(diǎn)描述空間位置，比如緯度、經(jīng)度、海拔。如果一光脈沖從一個(gè)特定的空間點(diǎn)在一特定時(shí)刻發(fā)出，在時(shí)間的進(jìn)程中，它會(huì)作為一個(gè)光球面發(fā)散開來，而光球面的形狀、大小和源的速度無關(guān)。假如太陽會(huì)熄滅，那時(shí)候，我們看到這一瞬間，已經(jīng)是在八分鐘之前就發(fā)生了的事了。我們現(xiàn)今看到的最遠(yuǎn)的物體，是在大約80億年前的宇宙，其實(shí)我們?cè)诳此倪^去。狹義相對(duì)論中，愛因斯坦和龐加萊的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了沒有任何東西進(jìn)行得比光更快，并且描述了，物體接近光速時(shí)會(huì)發(fā)生的情況。
廣義相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)空不是平坦的，在時(shí)空中的質(zhì)量和能量的分布，使它“彎曲”或“翹曲”。太陽的質(zhì)量畸變了它附近的時(shí)空，從一個(gè)遠(yuǎn)處的恒星b來的，通過太陽附近的光被折射了，這樣在地球c看來，它似乎來自另外一個(gè)方向d。
實(shí)際觀察這種情形非常難，因?yàn)樘柕膹?qiáng)光不可能讓人們看到它附近的恒星，但日食時(shí)，太陽光線完全被月亮遮住，愛因斯坦認(rèn)為地球并非由于被稱為引力的力使之沿彎曲軌道運(yùn)動(dòng)，相反，它沿著彎曲空間中接近于直線路徑的東西——測(cè)地線。 地線是大圓上兩點(diǎn)間最短程，飛行員飛行的航線便是測(cè)地線。飛機(jī)沿山脈飛行，在三維空間沿直線飛，在地面上的二維空間，影子為一條直線。水星離太陽最近，受引力效應(yīng)最強(qiáng)，軌道被拉得格外長。廣義相對(duì)論預(yù)言，其軌道橢圓的長軸圍繞著太陽大約每一萬年度的速率進(jìn)動(dòng)，盡管如此小的效應(yīng)，在1915年前就被注意到，作為愛因斯坦理論的驗(yàn)證。由于第一次世界大戰(zhàn)，愛因斯坦的光偏折理論，不能在1915年得到驗(yàn)證，直到1915年，一個(gè)英國探險(xiǎn)隊(duì)，從西非觀測(cè)日食時(shí)，證明該了理論。廣義相對(duì)論的另一個(gè)預(yù)言，像地球這樣大質(zhì)量物體附近，時(shí)間顯得流逝的慢一些。光在脫離地球引力場(chǎng)自下而上，失去能量，頻率降低，光能量和它的頻率關(guān)系:能量升高、頻率升高。所以導(dǎo)致，在天上的某人看來，下面發(fā)生的每一件事都顯得需要更長時(shí)間。 中國神話當(dāng)中所說的“天上一日地下一年” 看來不無道理。1962年有一個(gè)水塔實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)底部時(shí)鐘走得慢。 目前，基于衛(wèi)星信號(hào)非常精確的導(dǎo)航系統(tǒng)，也必須重視廣義相對(duì)論，否則計(jì)算位置會(huì)錯(cuò)幾英里。
牛頓運(yùn)動(dòng)定律使絕對(duì)位置觀念壽終正寢。相對(duì)論擺脫了絕對(duì)時(shí)間。著名的雙生子佯謬：一對(duì)雙胞胎，一個(gè)去山頂生活，另一個(gè)在海平面生活，多年后再次相會(huì)。山頂?shù)臅?huì)比海平面的人顯得年輕。但這種差別極其不易察覺。但假如一個(gè)在太空 長途旅行，這種差異變會(huì)很大，1915年之前 空間和時(shí)間被認(rèn)為是事件在其中發(fā)生的固定舞臺(tái)，并不受影響的延伸著。而在廣義相對(duì)論，被人們所接受后，空間和時(shí)間變成動(dòng)力量，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)受力作用時(shí)，影響了空間和時(shí)間的曲率。所以在宇宙界限之外，講時(shí)空和時(shí)間是無意義的。
第三章膨脹的宇宙
離我們最近的恒星叫做比鄰星，距離我們四光年，大約二十三萬英里。(太陽的距離僅八公分)。恒星集中在銀河系，也叫螺旋星系。這一點(diǎn)在，公元1750年天文家威廉·赫歇爾爵士，對(duì)恒星進(jìn)行編目得到證實(shí)，但該思想在20世紀(jì)才被人接受。1924年現(xiàn)代宇宙圖像才被奠定。
美國天文家，埃德溫·哈勃證明，我們的星系不是唯一的星系，由許多星系組成。哈勃通過間接的手段，測(cè)量它們的距離——視亮度。視亮度包括兩個(gè)方面：光度和距離。太陽是銀河系的1000億個(gè)恒星之一，局部集團(tuán)只是形成我們宇宙中最大已知結(jié)構(gòu)的幾千個(gè)集團(tuán)和星系團(tuán)之一。
我們生活在一個(gè)寬度約為10萬光年并慢慢旋轉(zhuǎn)的星系中；在它的螺旋臂上的恒星周圍繞著它的中心轉(zhuǎn)一圈大約花費(fèi)幾億年。恒星距離我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)，絕大多數(shù)恒星只有一個(gè)特征可觀測(cè)，光的顏色。
牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光通過棱鏡的三角形狀的玻璃就會(huì)被分解成彩虹一樣的光。用一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡聚焦在一個(gè)單獨(dú)的恒星或星系上，便可觀測(cè)到不同的光譜。任何不透明的炙熱的物體發(fā)出的光，有一個(gè)只依賴于它的溫度的特征光譜，也就是熱譜，可從恒星的光得知其溫度。每一種化學(xué)元素可以吸收非常獨(dú)特的顏色族系，將它們和恒星光譜中失去的顏色相比較。通過恒星熱譜中，某些特定顏色的丟失，就可以來確定恒星大氣中存在哪些元素，哪種化學(xué)元素。
20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家在開始觀察其他星系中的恒星光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)奇異的現(xiàn)象：它們和我們的銀河系一樣，具有吸收的特征線族，只是所有這些線族都向光譜的紅端移動(dòng)了同樣的相對(duì)量。
多普勒效應(yīng)可以解釋這一現(xiàn)象，光是電磁場(chǎng)的起伏和波動(dòng)構(gòu)成的。按照波長從短至長可以分為：伽馬射線、ｘ射線、紫外線、可見光波段、紅外線、微波、無線電波。例如，一個(gè)恒星，以固定的波長發(fā)出光波，本應(yīng)該我們接受到的波長和發(fā)射波長一致(星系的引力場(chǎng)沒有強(qiáng)到影響它的波長)。
假定該恒星光源開始向我們移動(dòng)，當(dāng)光源發(fā)出第二個(gè)波峰時(shí)，他就會(huì)離我們近一些。這兩個(gè)波峰之間的距離比恒星靜止時(shí)，我們接收到波長會(huì)較短(光譜向藍(lán)端移動(dòng))。假定光源離開我們運(yùn)動(dòng)，我們接收波的波長將較長(光譜向紅端移動(dòng))。這是多普勒效應(yīng)的頻率和速度變化規(guī)律，同樣適用于聲波和電磁波。
交通警察利用多普勒效應(yīng)的原理，測(cè)量電波脈沖車上反射回來的波長，來測(cè)車速。
愛因斯坦一九一五年發(fā)表廣義相對(duì)論時(shí)，還在為宇宙是靜止的，引入常數(shù)來修正自己的理論。哈勃為星系距離進(jìn)行觀察編目，觀察它們的光譜。1929年發(fā)表結(jié)論，星系離開我們的速度和距離成正比。星系越遠(yuǎn)，他離開我們運(yùn)動(dòng)的越快。宇宙星系不是靜止，而是在膨脹！這是20世紀(jì)最偉大的智力革命之一。我們的科學(xué)就是這樣不斷發(fā)展進(jìn)步的！
1965年，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室，物理學(xué)家，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜用微波探測(cè)器接收到比預(yù)想還要大的噪聲——來自宇宙。1992年，宇宙背景探險(xiǎn)者（COBE），在不同方向探測(cè)宇宙，都有微小變化。
普林斯頓大學(xué)，羅伯特·狄克、詹姆士·皮帕爾斯，研究喬治·伽莫夫，二人的一個(gè)見解認(rèn)為，早期宇宙一定是非常密集的白熱的。現(xiàn)在仍然能看見宇宙的白熱，因?yàn)閺乃姆浅５牟糠謥淼墓猓瑒偤矛F(xiàn)在才到我們這，然而宇宙的膨脹，把紅光移得如此厲害?，F(xiàn)在只能做微波輻射被我們觀察到。同時(shí)彭齊亞斯和威爾遜聽到他們的工作，并意識(shí)到自己已經(jīng)找到了它，為此1978年被授予諾貝爾獎(jiǎng)。
弗里德曼的第二個(gè)假設(shè)：所有星系都相互直接離開，就如在氣球上畫上好多斑點(diǎn)，被吹脹。任何兩個(gè)星系互相離開的速度和它們之間的距離成正比，這也預(yù)言了哈勃的觀測(cè)。
直到1935年，為響應(yīng)哈勃的宇宙均勻膨脹的發(fā)現(xiàn)。美國，物理學(xué)家霍瓦德·羅伯遜，英國的數(shù)學(xué)家，阿瑟·瓦爾克，發(fā)現(xiàn)了類似的模型。弗的工作才被西方普遍知道。
滿足弗的兩個(gè)假設(shè)共有三種模型：第一，是弗找到的，宇宙膨脹的足夠慢，不同星系之間的吸引力使膨脹減慢，并最終停止，然后，星系開始相互靠近，而宇宙收縮。
第二類模型：宇宙膨脹的如此之快，引力雖能使之緩慢卻永遠(yuǎn)不能使之停止。第三種模型：宇宙的膨脹快到足以剛好避免坍縮。
宇宙在每年10億年里膨脹5％~10％，然而在我們以及其他星系里應(yīng)該包含大量的暗物質(zhì)，那是我們不能直接看到的，但由于它的引力對(duì)星系中軌道的影響，我們知道它必定存在，所以對(duì)宇宙的平均密度測(cè)量的更準(zhǔn)確。
宇宙已經(jīng)至少膨脹了100億年，即便宇宙將要坍縮，至少要再過這么久才有可能。這不是我們過度憂慮，到那時(shí)，除我們已到太陽系以外開拓了殖民地，否則人類早就隨著太陽消滅而死亡殆盡！
約100至200億年前，宇宙中鄰近星系間距離為０，大爆炸那一刻之前，密度和空間曲率無限大，這就是數(shù)學(xué)中的一個(gè)奇點(diǎn)例子。
1948年奧地利赫曼·邦迪和托馬斯·戈?duì)柕?，還有英國的弗雷德·霍伊爾，當(dāng)星系相互離開時(shí)，由正在連續(xù)產(chǎn)生的新物質(zhì)在他們中間，不斷形成新的星系，即使產(chǎn)生率極低(大約每年每立方千米個(gè)粒子)，這就是穩(wěn)態(tài)理論。
20世紀(jì)50到60年代馬丁·賴爾、邦迪、戈?duì)柕?、霍伊爾研究從空間來的射電源，得出弱源比強(qiáng)源多。有兩個(gè)解釋，第一、單位空間體積內(nèi)普通的源，似乎在近處比遠(yuǎn)處稀少，我們處于宇宙的一個(gè)巨大區(qū)域的中心。第二、宇宙在射電波向我們發(fā)射的過去的那一刻，具有比現(xiàn)在更密集的源。
關(guān)于奇點(diǎn)理論的幾個(gè)觀點(diǎn)。
第一、弗里德曼認(rèn)為，約100至200億年前，宇宙中鄰近星系間距離為０，大爆炸那一刻之前，密度和空間曲率無限大。
第二、1948年赫曼·邦迪、托馬斯·戈?duì)柕隆⒏ダ椎隆せ粢翣栃窍迪嗷ルx開時(shí)，由正在連續(xù)產(chǎn)生的新物質(zhì)在他們中的間隙不斷形成新的星系。
第三、馬丁·賴爾領(lǐng)導(dǎo)研究從外太空來的射電源，弱源比強(qiáng)源多。
第四、1965年彭齊亞斯和威爾遜的微波背景輻射，宇宙在過去必定密集得多。
第五、1963年歐格尼·利弗席茲，艾薩克·哈拉尼可夫，宇宙不僅直接相互離開，還有一定斜向速度，星系從來沒有必要恰好在同一處，只不過非?？拷?。宇宙不是來自于大爆炸奇點(diǎn)，而是來自于更早的收縮相。
第六、1965年英國數(shù)學(xué)家、物理家羅杰彭羅斯，坍縮的恒星在自己的引力作用下，陷入到一個(gè)區(qū)域之中，恒星中的所有物質(zhì)將被壓縮到一個(gè)零體積的區(qū)域里，密度和曲率得到一個(gè)奇點(diǎn)，包含在一個(gè)叫做黑洞的時(shí)空區(qū)域中。
第六章黑洞
為了理解黑洞是如何形成的,我們首先需要理解恒星的生命周期。起初大量的氣體(絕大部分為氫)受自身的引力吸引,而開始向自身坍縮而形成恒星。當(dāng)它收縮時(shí),氣體原子越來越頻繁地以越來越大的速度相互碰撞——?dú)怏w的溫度上升。最后,氣體變得如此之熱,以至于當(dāng)氫原子碰撞時(shí),它們不再彈開而是聚合形成氦。如同一個(gè)受控氫彈爆炸,反應(yīng)中釋放出來的熱使得恒星發(fā)光。這附加的熱又使氣體的壓力升高,直到它足以平衡引力的吸引,這時(shí)氣體停止收縮。這有一點(diǎn)像氣球—一內(nèi)部氣壓試圖使氣球膨脹,橡皮的張力試圖使氣球收縮,它們之間存在一個(gè)平衡。從核反應(yīng)發(fā)出的熱和引力吸引的平衡,使恒星在很長時(shí)間內(nèi)維持這種平衡。然而,恒星最終會(huì)耗盡它的氫和其他核燃料。貌似大謬,其實(shí)不然的是,恒星初始的燃料越多,它則被越快燃盡。這是因?yàn)楹阈堑馁|(zhì)量越大,它就必須越熱才足以抵抗引力。而它越熱,它的燃料就被耗得越快。我們的太陽大概足夠再燃燒50多億年,但是質(zhì)量更大的恒星可以在1億年這么短的時(shí)間內(nèi)耗盡其燃料,這個(gè)時(shí)間尺度比宇宙的年齡短得多了。當(dāng)恒星耗盡了燃料,它開始變冷并收縮。隨后發(fā)生的情況只有等到20世紀(jì)20年末才首次被人理解。
在恒星引力坍縮形成黑洞時(shí),運(yùn)動(dòng)會(huì)快得多,這樣攜帶走能量的速率就會(huì)高得多。因此不用太長的時(shí)間就會(huì)達(dá)到不變的狀態(tài)。這最終的狀態(tài)將會(huì)是怎樣的呢?人們會(huì)以為,它將依賴于形成黑洞的恒星的所有復(fù)雜特征—不僅它的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)速度,而且恒星不同部分的不同密度以及恒星內(nèi)氣體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。而如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端那么一般來講,對(duì)黑洞作任何預(yù)言都會(huì)非常困難。
? 【黑洞】宇宙中一種特殊區(qū)域 一切物體，包括可見光和其它射線，一旦進(jìn)入便無法逃逸的絕對(duì)黑體，因而無法直接觀測(cè)到，故稱為黑洞。
A,拉普拉斯黑洞：拉普拉斯根據(jù)牛頓力學(xué)算出，一個(gè)密度與地球相當(dāng)，直徑為太陽250倍的恒星，其引力之大連光也無法輻射出來，成為黑天體。
? ? B,史瓦西黑洞：一種無自轉(zhuǎn)、球?qū)ΨQ的黑洞。它是1916年史瓦西求得的愛因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)解。其臨界半徑與拉普拉斯算出結(jié)果完全相同。但他是以星球質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，而不是星球密度。例如一個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，黑洞半徑小于1厘米。黑洞界面稱為視界，，在史瓦西黑洞時(shí)視界與無限紅移面重合。按此理論，所有位于視界半徑內(nèi)的物質(zhì)，都將落向其幾何中心——奇點(diǎn)上。
? ? C,克爾黑洞：1963年新西蘭物理學(xué)家羅伊·克爾推出的黑洞，有自轉(zhuǎn)，呈軸對(duì)稱。事實(shí)上，如果恒星坍縮而成為黑洞，一般應(yīng)成為克爾黑洞。它的無限紅移面位于視界之外，視界半徑與史瓦西公式相同。界于視界與無限紅移面之間的區(qū)域稱為能層，能層中的物質(zhì)可以通過無限紅移面向外輻射。而能層內(nèi)的任何物質(zhì)都將被克爾黑洞拖曳著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，越近內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)越快，視界上各點(diǎn)的角速度相同，視界以外時(shí)間遲滯，視界之內(nèi)時(shí)空倒置。
? ? D,霍金黑洞：當(dāng)恒星坍縮成極致密星體時(shí)，物質(zhì)粒子距離非常近，量子效應(yīng)起主導(dǎo)作用，按照泡利不相容原理，位置精確，速度應(yīng)很大（極限是光速），所以使得粒子互相散開，并企圖使恒星膨脹，當(dāng)引力與不相容原理引起的排斥力達(dá)到平衡時(shí)星體半徑保持不變。印度物理學(xué)家薩·錢德拉塞卡計(jì)算出一個(gè)大約小于太陽質(zhì)量1·5倍的恒星的不相容原理力不能抵抗自身引力，繼續(xù)坍縮，最終變成一顆半徑約為幾千英里，密度為每立方英寸幾百噸的白矮星。此質(zhì)量（1·5太陽質(zhì)量）現(xiàn)在稱為錢德拉塞卡質(zhì)量?！咎K聯(lián)物理學(xué)家朗道幾乎同時(shí)得到此結(jié)果。朗道并指出，恒星可能還存在其它終態(tài)，這些恒星不是由于電子的泡利不相容原理力，而是中子、質(zhì)子之間的不相容原理力所支持，所以稱為中子星。半徑只有十英里左右，密度為每立方英寸幾億噸。此預(yù)言已被證實(shí)?！抠|(zhì)量大于錢德拉塞卡質(zhì)量的恒星在耗盡其燃料時(shí)，可能會(huì)爆炸拋出足夠的物質(zhì)，使其質(zhì)量減小到極限之下，形成中子星。如果質(zhì)量仍大于極限質(zhì)量，引力將大于泡利排斥力，而繼續(xù)收縮，當(dāng)收縮到某一臨界半徑（視界）時(shí)變成黑洞?；艚鹫J(rèn)為，黑洞的奇點(diǎn)是不穩(wěn)定的，最小的干擾就會(huì)導(dǎo)致奇點(diǎn)消失，或者躲到視界后面去，加速運(yùn)動(dòng)的重物會(huì)輻射引力波，從而帶走能量?；艚鸷土_杰·彭羅斯認(rèn)為，黑洞視界是由剛好不能從黑洞逃逸，而永遠(yuǎn)只在邊緣上徘徊的光線在時(shí)空里的路徑所形成的。這些光線永不相交，只能平行或散開。只要物質(zhì)或輻射落入黑洞，視界面積就會(huì)增大，如果兩個(gè)黑洞膨脹合并成一個(gè)黑洞，此黑洞的視界面就會(huì)大于或等于原兩個(gè)黑洞視界面的和。這有點(diǎn)像熱力學(xué)第二定律的熵增加原理。雅可布·柏肯斯坦認(rèn)為如果把視界面看作熵，則黑洞也遵從熱力學(xué)第二定律。然而如果黑洞具有熵，那它應(yīng)該也有溫度，但眾所周知，具有特定溫度的物體必須以一定的速率發(fā)出輻射。蘇聯(lián)物理學(xué)家雅可夫·捷爾多維奇和亞歷山大·斯塔拉賓斯基認(rèn)為按照量子力學(xué)不確定性原理，旋轉(zhuǎn)黑洞應(yīng)該產(chǎn)生并輻射粒子?；艚鸢l(fā)現(xiàn)，黑洞輻射譜與熱體輻射譜相同，其溫度只依賴于黑洞的質(zhì)量，質(zhì)量越大，溫度越低。輻射越小。一個(gè)具有幾個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，只有一千萬分之一的絕對(duì)溫度，比宇宙背景微波輻射的2·7～3K低的多，所以黑洞吸收的比輻射的多。
? 霍金認(rèn)為，在大爆炸宇宙模型極早期，由于微小漲落引起的坍縮而形成的質(zhì)量極小的太初黑洞，會(huì)有高得多的溫度，并以大得多的速率輻射。一個(gè)具有10億噸質(zhì)量的太初黑洞，其壽命與宇宙的年齡相同。比它小的黑洞早已蒸發(fā)完畢。比它大的太初黑洞，仍在輻射X射線及伽馬射線。因它波長比可見光短得多，實(shí)質(zhì)上溫度很高，應(yīng)是白熾的，正以大約一萬兆瓦的功率發(fā)射能量。
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蟲洞和時(shí)間旅行
1.哥德爾不完備性定理粉碎了大數(shù)學(xué)家希爾伯特對(duì)“嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)”的宏偉計(jì)劃。
2.蟲洞（又叫為愛因斯坦-羅森橋）只能維持很短的時(shí)間。
3.根據(jù)費(fèi)恩曼的對(duì)歷史求和，粒子順時(shí)運(yùn)動(dòng)等效于反粒子逆時(shí)運(yùn)動(dòng)。
