返回柔软的宇宙：相对论外传 第20章 时空涟漪        2016年春节期间，一个话题引爆了社交网络和各大新闻媒体，上至家学者，下至科学爱好者，甚至平常与科学井水不犯河水的文艺界人士也都开始纷纷转载消息：引力波被人类发现了。一时间引力波话题成了街头巷尾的大热门，可是很多人不知道，爱因斯坦做出这个预言，其间经历了怎样的剧情大反转。        说起这事还要从爱因斯坦落脚到了普林斯顿讲起。此时的爱因斯坦已经是年过半百的人了，需要找一位助手来帮忙，他选中了一个小伙子叫罗森。爱因斯坦跟罗森合作，搞出了三篇论文，每一篇都很重要。老爱早已经过了科研的巅峰时期，即便如此还屡屡有神来之笔：爱因斯坦-罗森桥我们前文已经讲述过了；EPR佯谬则是和玻尔隔着大西洋打笔墨官司；爱因斯坦与德布罗意波和薛定谔是一伙儿的，他这篇论文引得薛定谔搞出了一个著名的思维实验——“薛定谔的猫”。本章的重点当然        是他有关引力波的论文，这篇论文也是与罗森合作完成的。早年间，爱因斯坦还在鼓捣相对论的时候，就隐隐约约地感觉到会有引力波的存在。为什么呢？因为爱因斯坦认为，这个宇宙当中，没什么信号传播速度能超光速。那么引力呢？引力的传播要不要时间呢？牛顿的体系里引力的传播是立刻到达，不需要传播时间的，或者说，牛顿发现了引力与质量和距离有关，具体关系可以用万有引力来算，但是引力是如何传递的，牛顿没工夫搭理。爱因斯坦认为：引力传播是不可能超越光速的，必定需要时间，那么显然就会以波的形式向外扩散，这就是引力波。        爱因斯坦拿到一笔经费，让他研究统一场理论，还有一部分电磁学方面的内容。当然了，他也没放弃在引力波方面的研究，他的助手罗森的合作期限快要到了，罗森对平面引力波也很有兴趣。两个人就开始研究平面引力波。万有引力定律和电磁学的库仑定律，看起来还真有那么一点像，大家都遵循平方反比规律。按照爱因斯坦的想法，他们要显示仿照电磁场的处理方式，开始构建引力场，从麦克斯韦的电磁学方程式慢慢推导，最后会变成量子化的方程。方程的一部分代表虚光子，也就是电磁力，另外一部分代表光子，也就是电磁波。方程里面隐含了一个结论，那就是光子静质量为0，凡是静质量为0的粒子，必定是以光速来运行的。这部分的东西其实已经涉及量子场论，也就是把相对论和量子力学结合起来了。        爱因斯坦知道，电磁场可以如此处理。麦克斯韦方程式是线性的，处理起来相对容易，但是广义相对论的场方程并不是线性的，处理起来极其麻烦。只有在很弱的情况下，才可以近似认为是线性的，这叫做“弱场近似”。按照这个思路，爱因斯坦就把引力场做了类似的处理，仿照电磁方程的推导方式，看看能不能推导出一个波动的解。他与罗森两个人接着往下计算，一个老大难问题冒出来了，说白了他俩就碰上了恼人的“∞”。在物理学计算中，是需要选取坐标系的。假如坐标系选取不合适的话，会出现发散的情况，在黑洞的计算里，就遇到过这样的问题。所谓黑洞表面，也就是视界事件上，也会出现发散的情况，但是通过坐标变换，就消除了发散。在史瓦西黑洞的中心有个奇点，这个奇点是无论怎么坐标变换，都没法消除的。        爱因斯坦当然懂这个道理啊，他跟罗森在计算引力波的时候，也碰上了这个问题。这奇点到底是能消掉的呢，还是消不掉的呢？你拍脑瓜也没用。所以呢，爱因斯坦和罗森这篇论文的题目就叫《引力波存在吗》，他俩认为，可能引力波是不存在的，原本认为有戏，现在看来够呛。写完这篇文章，罗森就去了苏联基辅大学任教，这篇论文的一切后续事宜都由爱因斯坦代理了。爱因斯坦把论文投稿给了美国当时顶尖的刊物《物理评论》，以前他们有过合作。         美国人跟欧洲人不一样，他们发论文都要求背对背审稿，《物理评论》杂志的主编就给爱因斯坦找了个审稿的人。可爱因斯坦不知道，欧洲没这个习惯。《物理评论》要打造高质量的论文期刊，一点儿马虎不得，哪怕像爱因斯坦这样的祖师爷也不能坏了规矩。果然，审稿人员挑出若干毛病，写了一大堆的审稿意见，《物理评论》的主编就转给了爱因斯坦，话说得也很客气：“您不妨先看看审稿意见再说。”爱因斯坦心里多少有些不悦，以往都是一路绿灯，怎么这一次耽搁了一个月还没消息？他看到审稿意见，当时就给《物理评论》的主编写信，表示撤稿，不发了。自己是相对论的祖师爷，还有谁能给祖师爷审核稿子？人家主编也坚持原则，这是程序啊，不能不遵守。爱因斯坦前几篇论文也没有严格的审稿，哪知道这一回通不过。坚持原则的主编也付出了代价：爱因斯坦再也没在《物理评论》上发表过文章。        爱因斯坦一转手，就把文章投递到了另一个名气较小的刊物上，叫《富兰克林研究所学报》。人家一看小庙来了尊大菩萨，马上就表示同意刊登。当时印刷排版都是铅字印刷，周期比较长，爱因斯坦就去忙别的事情了。正巧，他来了一个新助手叫英菲尔德，英菲尔德也跟随爱因斯坦搞引力波的研究。先前爱因斯坦与罗森合作的引力波论文当然他是看到过的，当时就有些狐疑，他觉得引力波应该是存在的，现在碰到的问题可以解决，但爱因斯坦毕竟是神一般的存在，英菲尔德也不太敢怀疑祖师爷，他还是接受了爱因斯坦的意见，引力波很可能不存在。        后来，英菲尔德结识了一个好朋友，此人就是罗伯逊教授。一来二去两人聊到引力波问题，这个罗伯逊教授居然侃侃而谈，清晰明了地就把问题一一点破，该选哪个坐标系，该怎么计算，三下五除二就把那个让他们头痛的问题解决了。英菲尔德一听，马上告诉了爱因斯坦，爱因斯坦这几天脑子已经转过弯了，跟罗伯逊一讨论，立马态度大反转：他现在觉得引力波是存在的。        爱因斯坦把论文的标题给改了，改成《关于引力波》，这态度是一百八十度的大反转啊！可是先前的文章已经给了费城的《富兰克林研究所学报》，人家已经开始印刷了吧？那可糟了。这要印出来那不是丢祖师爷的脸嘛！还好，《富兰克林研究所学报》送来校对稿，还没开印。爱因斯坦赶紧打补丁，幸亏没印出来，还有修改的余地，修改完了还在后边加了一句鸣谢：感谢罗伯逊教授提供了有益的帮助。罗伯逊那时候才三十七岁。        罗森后来看到发表出来的文章一脸蒙圈，怎么结论大翻盘了，爱因斯坦你反水也太快了点儿吧！罗森还是不认账，他一直不承认引力波的存在。当年给爱因斯坦审稿的那个人究竟是谁呢？后人逐一排查下来，目标就落在了罗伯逊本人身上。后来有人去翻故纸堆，查当年的书信和单据，当年给爱因斯坦审稿的果然就是罗伯逊自己，他并没有对外透露。当然，《物理评论》的主编当时也没告诉他论文稿子是爱因斯坦和罗森写的，只告诉他是个大神级别的人物。       可事情就这么巧，他跟爱因斯坦是同事，而且后来还成了朋友。爱因斯坦当年接到审稿意见以后一脑门子官司，看都没看，要不然他早就可以发现自己的问题，何至于要等罗伯逊拐弯抹角地提醒他，审稿意见里面写得清清楚楚，你不仔细看怪谁啊？        这个罗伯逊教授，名字好像在哪里见过对吧？没错，他就是那个宇宙大爆炸模型的核心公式“弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克度规”的提出者之一，人家是那个时代少有的精通广义相对论的人之一。我们也不妨设想一下，要是英菲尔德没碰见罗伯逊，爱因斯坦和罗森那篇错误的论文发表了出去，又会是怎样一种后果？不严格的审稿对期刊或者对科学家本人来讲，都是一种伤害，对科学本身就更没有好处，这件事也多亏了《物理评论》的编辑坚持原则和罗伯逊教授的巧妙提醒。        爱因斯坦虽然算出了引力波公式，但是大部分时间都是被束之高阁的，因为引力波根本没有办法来检测，一般的天文事件发出的引力波微乎其微。比如太阳系最大的行星——木星绕着太阳旋转，在这个过程中会不断辐射出引力波，那么质量达到地球质量三百倍的木星到底辐射出多大功率的引力波呢？大概也就五千瓦左右，约等于三个烤箱的功率，太微弱了。木星公转一周大约需要十二年时间，在那么广袤的空间里，检测一个周期长达十二年的微小波动是根本不可能的，即便是现在也难以做到。        要想检测引力波，那有两个条件：首先是频率不能太低，像木星这样的转一圈需要十二年，恐怕没人耗得起。年纪轻轻的研究生投身引力波观测事业，仅仅测几个周期就已经到了退休年龄，这恐怕不行。还有一条就是强度大，微弱的引力波动很难检测到，能符合这个条件的，只有中子星和黑洞了，也就是高密度天体。大质量恒星塌缩成中子星或者黑洞的时候，发出的引力波微乎其微，完美对称的过程都不会产生引力波。要产生引力波，就要靠不对称的东西，两个天体相互围绕旋转是个不错的选择。                                 图20-1　韦伯的实验装置        实际去探测引力波，第一个吃螃蟹的人是韦伯（图20-1）。他搞了个铝制的大圆柱，圆柱上布满了感受应力的晶体。引力波是个横波，那么这个圆柱在引力波的扭曲下，会产生变形，晶体就能收集到这种信号。但是引力波非常微弱，而且引力波很难变成其他能量。相比之下，电磁波就很容易变成其他能量，很容易探测，电磁波也比引力波强得多，强度大了几十个数量级，因此韦伯探测引力波的难度非常大，热噪音就足以淹没微弱的信号。而且引力波探测器仅有一个肯定不行，那样的话没有办法排除外界的风吹草动，走路的脚步振动、机器振动等都会引发虚假信号。起码要有两套实验装置，分置于两地，相距越远越好，这样就可以排除掉很多干扰。实验装置A处有人跺了一下脚，千里之外实验装置B旁边总不会那么巧也有人跺了一下脚吧！两地实验数据对比一下，很容易排除这种噪音。韦伯就用了两个实验装置，突然有一天他发现接收到了神秘的信号，他大喜过望，可是这种信号后来再也没出现过。孤证不立，这不算数，别人也无法重复他的发现，起码要几次重复才算能确认的确是有效的信号。看来这个办法不灵，以二十世纪六十年代的技术水平，也确实不够用。科学家们在各地建造了若干个相同原理的实验装置，都没有什么收获。此后，探测引力波的实验又一次沉寂下去，一点进展也没有。        到了二十世纪七十年代，可算有了一点进展：脉冲星被发现了。这个脉冲星就是传说中的中子星，脉冲星密度极高，后来又发现了脉冲双星，两颗高密度的中子星，相互围着旋转，速度非常快，它们辐射出来的引力波非常强。我们的宇宙里有个基本的法则：“出来混，总要还的”，能量守恒总要遵守，一部分能量随着引力波辐射出去了，那么脉冲双星的总能量就要降低，轨道就会变小，相互就会越靠越近，直到最后撞在一起。既然如此，我们可以来算算每年这两颗星靠近多少，周期有什么样的变化。        1974年美国科学家泰勒和赫尔斯利用引力波的公式计算了一下能量的损失状况，两颗星每年相互靠近三点五米，轨道半径逐渐变小，周期将会变慢76.5微秒。那好吧，现在可以看看计算与观测结果是不是能对上茬。他们两位花了三十年时间，仔细观测了这一对双星，发现观测结果跟引力波的计算是完全相符的，这是关于引力波的第一个靠谱的观测证据，是个间接证据。1993年，泰勒和赫尔斯获得了诺贝尔奖，以奖励他们对脉冲双星的研究。人家“炸药奖”委员会只字不提引力波，因为引力波还没被直接观测到。说话严谨低调，滴水不漏是诺贝尔奖长盛不衰的秘籍之一，正因为他们严谨的态度，诺贝尔科学类奖项常年保持了很高的公信力。       接下来我们不得不再一次提到基普·索恩，这个计算出可穿越虫洞的家伙在引力波的探测方面也扮演了重要的角色。二十世纪七十年代，索恩是加州理工最年轻的物理学教授，和老师惠勒以及米斯纳一起写了《引力论》，这本书后来被誉为“引力圣经”。就在那个年代，索恩碰上了麻省理工的赖纳·韦斯，他提供了一个想法，就是利用激光干涉仪来探测引力波。两个人一拍即合，立马开始去四处去忽悠人忽悠钱，没钱那是万万不能的。索恩说服了加州理工掏钱支持引力波探测项目，后来又把美国国家科学基金会也拉了进来。二十世纪九十年代的时候，引力波探测项目还是科学基金会资助的最大的一个项目。仅仅有了钱不行啊，还要招揽人才。大门向全世界开放，各国都有科学家参与，现在“激光干涉引力波天文台（LIGO）”已经发展到了几千名员工，大批科学家参与其中。索恩也很擅长向公众普及科学知识，因为现代的大型科学项目离不开普通老百姓的支持，假如没有深厚的群众基础，投资人也就没那么热心，不管是大学还是国家机构，掏钱的时候都没有那么大方。索恩深谙此道，他写的科普书也很畅销，总是能够深入浅出地讲明科学道理。退休以后，索恩仍然不闲着，还担任了大片《星际穿越》的科学顾问，成了好莱坞的“非著名演员”。老头当年也很乐观，他预计1980年就能探测到引力波，但是迎来的是一次又一次的失望。在有生之年能不能看到引力波被探测到，谁也没有这个把握。        索恩牵头推动的LIGO是一个大型的激光干涉仪，说白了就是当年迈克逊干涉仪的放大版：两条相互垂直的臂，激光束在里面穿行若干次，最后形成干涉条纹。假如引力波来袭，光路有一丝的拉长缩短，干涉条纹就会偏移，就可以被仪器检测到。一般来讲，高精度的观测都是利用光的干涉，因为光的波长很短，稍有变化，干涉条纹上就能看出来。        LIGO观测所拥有两套干涉仪，一套安放在路易斯安那州的利文斯顿，另一套在华盛顿州的汉福。在利文斯顿的干涉仪有一对4千米长的臂，而在汉福的干涉仪则稍小，只有一对2千米长的臂。这两套LIGO干涉仪在一起工作构成一个观测所，这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其他干扰都可能看起来像引力波信号，如果是此类干扰信号，只会记录在一台干涉仪上，另外一台不会受影响。而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。所以，科学家可以对两个地点所记录的数据进行比较得知哪些信号是噪声，还可以利用两台干涉仪的数据来推断信号来自何处，这也算是一种甚长基线干涉测量。LIGO从2003年开始收集数据，它是目前全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测器，光束要在管道里面来回反射四百次，4千米的长度等于变成了1600千米。LIGO工作了一段时间，一无所获，因为灵敏度还是不够高，后来大家又花了好几年来升级设备。然后，刚一开机，还在调试阶段，就“Duang”的一声来了个强信号。经过简单的滤波，大家肉眼都看得出来，这是个明显的震荡信号，引力波信号来袭的时候，会不断拉伸扭曲激光的光路，这样光路就会不断变长变短，哪怕变化仅有一个质子直径的千分之一，也会被察觉到。果然这运气不是一般的好啊！        2015年9月14日北京时间17点50分45秒，LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914信号。从信号波形来看，它俩越转越激烈，最后“Duang”地撞到一起，合并成为一个更大的黑洞。开始黑洞还不太圆，估计像个花生的形状，只要旋转的物体不圆，就会辐射出引力波，这个痕迹在干涉仪接收到的波形上能看出来。随着引力波不断地辐射出去，黑洞也变成了完美的对称形状。这时候，引力波消失了，一个完全对称的旋转黑洞是不会有引力波辐射的，原本两个黑洞所携带的角动量也合并了。角动量是守恒的，即便是合并了，角动量也不会消失。只用了零点二秒的时间，一个三十六倍太阳质量的黑洞和二十九倍太阳质量的黑洞，就这么合二为一了。瞬间辐射出的引力波包含的能量就相当于三个太阳质量，瞬间辐射功率超过了我们看得见的满天繁星的总发光功率。合并前他们速度达到了光速的零点六倍，这对宏观天体来讲，那是相当厉害了。         此刻，科学界对引力波给予高度的评价！还是要说爱因斯坦他老人家英明神武，总有神来之笔，也要庆幸多亏了罗伯逊及时点破，避免了老爱晚年再犯一个错误。索恩老爷子可算是喜上眉梢了，引力波的发现可以说是达到诺贝尔奖级别的重大成果。让我们祝愿索恩老爷子身体健康，因为诺贝尔奖反应慢是出了名的，等待几十年的大有人在，去世的人不予考虑也是他们很重要的原则，看来寿命长才是王道啊！活久见！2016年6月15日，在圣迭戈美国天文学会第228届年会上，LIGO科学家宣布第二次探测到了引力波事件。经过几个月的数据处理与确认，2015年12月26日LIGO和VIRGO合作组的科学家收到了一份圣诞大礼：又听到了一声“Duang”，来源还是黑洞的合并。一个八倍太阳质量的黑洞和另外一个十四倍太阳质量的伙伴合并了，产生了一个二十一倍太阳质量的黑洞，剩下的能量伴随引力波辐射了出去。由于这两个家伙比上次发现的要小，因此“二人转”的时间也更长，科学家们可以好好地欣赏一下它们的表演。看来成双成对的黑洞基友还真是不少啊！         LIGO的成功，别人都眼馋，欧洲各国都在搞引力波探测计划，日本也不甘落后。英德两国搞了个GEO600探测器，干涉臂长六百米；法国与意大利联合搞了个VIRGO探测器，臂长3千米；日本先前有个TAMA300探测器，臂长仅仅三百米，显然是拿不出手，后来他们也开始建造大型的KaGRA引力波探测器，如今已经进入调试阶段。LIGO和印度合作，还想在印度开一家“分号”，把一部分设备搬到印度去，搞一个LIGO-India的引力波观测站。地面上这种几千米长的干涉臂对于100赫兹的信号最敏感，因此观察黑洞合并特别擅长。要观测慢速绕转的致密双星就不赚便宜了，因为频率太低，需要很长的干涉臂，还要放到太空里去搞。于是欧美搞了个LISA计划，想放到拉格朗日点上进行探测，在那里可以安安静静地探测引力波。无奈地主家也没有余粮，最后搞了个缩水版的eLISA计划。        我国最近开始关注大科学工程，引力波又是热门话题，所以我国也开始搞引力波探测项目，例如天琴计划。太空里的探测器和地面上的探测频段不样，太空里面探测0.01赫兹到0.0001赫兹的频段比较合适，也就是双中子星绕行的频段，天琴计划就是针对这个频段的。天地之间的探测器是互补合作的关系，将来全球的探测器组网，对于精确的定位也有好处。现在定位很粗略，只能大约判断一条狭长的带，具体位置还是不太清楚。        要说引力波在科学上的意义，首先是爱因斯坦预言的引力波总算被发现了，更进一步证明了广义相对论的正确性。其次是有关黑洞方面，以前我们总是推测，在星系中心有一颗超大质量的黑洞，因为那么小的范围内，有上百万个太阳质量集中在那里，想来也不可能是别的东西，但是仍然是间接地推测。这次是直接地观测到了两个完全不发光的天体发生的一次合并，完全是一次“黑吃黑”的行动。黑洞直接向我们述说了当时所发生的一切，这一次我们听到了，我们并没有靠电磁波，靠的是时空的涟漪——引力波，这是一场天文观测的革命。        我们还关心一个问题，中子星上有山脉吗？假如中子星上面有几厘米高的山，外形就不是对称的，旋转的时候也会辐射引力波，我们观测它的引力波就能了解到中子星上的地形状况。超弦理论号称“万有理论最靠谱的候选者”，弦论总是很玄，普通人都不好理解，即便是专业人士也不见得能完全搞懂。有人说，在宇宙早期相变过程中，可能产生极细却达到宇宙学尺度的长度的“宇宙弦”，就像耳机线，你不理它，它自己就会变得乱七八糟的。宇宙弦也会自己变成一团乱麻，万一在哪里断了，也会搞出引力波。宇宙弦还会折腾出“闭合类时线”，这可是彭罗斯与霍金很不喜欢的东西。到底存不存在宇宙弦呢？比较玄，我们不妨耐心去倾听一下，看能不能发现宇宙弦断裂的“咔吧”声。        在理论方面，还有个大家不太注意的地方，那就是有关引力子。引力波在真空里可以任意穿行，必定是符合波粒二象性的，也就是说，既是波又是粒子。光是电磁波，但是同时也是光子，以此类推，引力波既然是存在的，那么引力子也必定存在。尽管到今天为止各种引力场量子化的理论还都不完善，但是目标值得去追求。引力波本身的计算也还不是很完善，现在传到地球的引力波都非常微弱，这种非常微弱的引力波，是可以做线性近似计算的，依靠“弱场近似”还可以对付，要是非常强的引力波，那可是一个头两个大。要是我们碰上非常强的引力波该怎么观测呢？告诉你吧，其实根本不用操那个心，也没工夫操心了，因为如果碰上非常剧烈的、波长又很短的引力波，我们会瞬间被撕碎，一切都OVER了。        只要时间够长，什么稀奇古怪的事情都能碰上，时间真是神奇的东西。但是，最难回答的一个问题，反倒是针对时间本身的：时间是什么？没人说得清。老话说“一寸光阴一寸金”，要想了解这个我们平常都很熟悉、但是又没人能真正讲清楚的东西，看来还需要费一番周折。这本是哲学家讨论的话题，物理学家们是怎么掺和进来的呢？欲知后事如何，且听下回分解……...

返回柔软的宇宙：相对论外传 第21章　时间去哪儿了         古希腊的哲学家曾经说过：“时间这东西，你不问我，我明白着 呢，你一问我，我就迷茫了。”我国先贤倒是没直接描述过时间是什 么，不过孔老夫子倒是说过一句：“逝者如斯夫，不舍昼夜。”就是说时 光是永不停息，昼夜不断地流逝着，这说明，孔老夫子深刻地认识到了 时间的单向流动性质，时间似乎是不可逆的。        牛顿牛老爵爷也有类似的看法。牛顿认为时间是均匀流淌的河流， 永远不会停留，时间是绝对的，空间也是绝对的，这就构成了牛顿的绝 对时空观。不过呢，莱布尼茨就跟牛顿的想法相反，莱布尼茨认为：时 间不过是一种感受而已，时间其实就是不断发生的事件的罗列。 牛顿和莱布尼茨的观点针锋相对，到底谁对谁错呢？时间到底是什 么？这个问题到现在也不太好回答，因为时间是个说不清的概念，就真 的如古希腊那位哲学家讲的：你不问我，我明白着呢；你一问我，我就 答不上来了。         记得有个有关于哲学家的段子，说的是调查人员去问哲学家一件事 的真相如何，当时发生了怎么样的一件事。这位哲学家就开始掉书袋， 他说“真相”这东西很复杂的，按照“经验论”的说法怎样怎样，按照“唯 理论”的说法又是怎样怎样。调查人员火了，他们不是来听哲学理论 的，快说当时真相究竟如何。哲学家说：“真相已经不见了。”调查人员 顿时觉得脊梁沟发凉，真相怎么会不见了呢？哲学家说了，真相要是还 在那里，你自己去看，你来问我干啥？真相已经流逝了，不见了。调查 人员觉得好像也是蛮有道理的，他们又问：“真相要是不见了，那该怎 么办啊？”哲学家说：“没关系，真相虽然已经随时间流逝过去了，但 是，记忆还在，现在还剩下有关真相的某种记忆。”调查人员赶紧问 啊：“有记忆也行啊，你快说。”哲学家说：“对不起，我记性不好全忘 了。”        这个哲学家的段子表达的到底是什么意思呢？说的就是时间的不可 逆性。历史真相之所以难以查明，就是因为时间是单向不可逆的，没有 办法像磁带一样倒带回来重放。对于空间长度来讲，好办，两段长度是 否相等，你可以来回比对，中学物理课都讲过要测量多次取平均值，因 为在空间维度里可以任意移动，你把尺子凑过去一对比就知道是不是一 样长。可是时间行吗？时间是没法比对的，你不可能把已经过去的一分 钟揪回来，和还没到来的一分钟放在一起做对比。你怎么知道时间是均 匀流逝的呢？压根就不知道流逝的每一分钟是不是真的一样长，这就叫 做“相继时间段的相等”问题。       那么我们是靠什么办法来感知和测量时间呢？说白了，是靠周期性 运动来计量的。我们看到的时间其实是日升月落，是影子由短变长，又 由长变短。看到时钟在滴答作响，接收到电磁场在不断震荡。我们看到 了某种周期性，就用这种周期性来当做时间的度量。那个问题仍然在困 扰着我们：你怎么证明钟摆摆过去和摆回来，时间是一样的呢？这事儿 麻烦了。       跟牛顿同时代的哲学家洛克已经发现，大家似乎是约定俗成默认钟 摆过去摆回来时间是相等的。其实谁也没有做过验证，这东西又该怎么 验证呢？好像一时半会也想不出办法来验证。哲学家嘛，点到为止，他 们属于只看病不开药方。        到了近代，庞加莱写了一本书叫《最后的沉思》，你听书名字就知 道，老头快不行了，这是临死之前出的书。这本书里也提到了时间问 题，庞加莱说了：时间必须是可测量的，否则的话，就不属于物理学讨 论的范畴。不能测量的概念，物理学无法研究。我碰上不少民科，他们 往往侃侃而谈，说了一大堆只有他们自己懂的名词，当我问他们如何设 计实验来验证，他们都不屑于设计实验。我说，你们有当哲学家的潜 质，于是我就被他们拉黑了……         庞加莱是个数学家，是那时候数学界的泰山北斗一般的人物，他对 物理学也很有研究，还是一个很重要的哲学家。不过老头到晚年，岁数 大了，一生积累的感悟也特别多，所以他写的书，哲学味儿很足。他首 先认为时间是可以测量的，早年间笛卡尔曾经认为，时间是个主观的东 西，不靠谱，而庞加莱认为这东西一定可以测量。以前欧拉曾经有过一 个想法：假如牛顿第一定律正确的话，就可以用匀速运动来做参照。中 学物理课上做实验，大家都用过打点计时器。假如纸带是匀速运动的， 那么打出来的点应该是均匀的，这不就把相邻时间测量的问题变成了长 度测量的问题吗？我们先前那个疑问不就解决了吗？要是打出来不均匀 呢？那就是打点计时器坏了，所以欧拉的这个说法仅仅可以让我们挑出 一只好钟。后来很多人又发展了这个思路，不但牛顿第一定律要成立， 麦克斯韦方程也要成立，那能量守恒算不算啊？好吧，能量守恒也要加 上。反正有一堆的条件加上去。        但庞加莱不是这么想的，他高屋建瓴地讲了两个问题。一个就是大 家都关注的“相继时间段的相等”问题，但是，还有一个问题，大家都忽 视了。庞加莱的确是眼光独到，他提出了一个对钟的问题：相隔遥远的 钟，怎么相互对准呢？庞加莱想到了光的各向同性，其实大家都默认了 这个条件存在，但是大家都没提，只有庞加莱提出来了。光从A点到B 点，跟从B点到A点，时间相同。既然光来去的时间是相同的。那么就 好办了，A点发射一束光，B点放个镜子，等光反射回来，掐算一下时 间，然后打对折，就是两点的时间差。B点看到A点的光信号。那么就 可以对钟了。这个观点给了爱因斯坦很大的启发，他推导相对论的时 候，就把这个作为初始条件给放进去了，不仅仅光一来一回速度是相同 的，而且光速不变，与观察者状态无关。         爱因斯坦对这个问题怎么看呢？他开始是跟牛顿差不多，后来他的 观点发生变化了。他认为，时间空间未必是可以脱离物质存在的独立客 体，一无所有的时间和空间失去了讨论的意义。他已经从牛顿那一头， 转到了莱布尼茨那一头了。爱因斯坦的《狭义与广义相对论浅说》里提 到了这个观点，不过那是再版了十几次之后，在前言里面补上了这段 话，可见这个观点形成的时间并不早。那时候爱因斯坦已经到了晚年， 这种大科学家，特别是搞理论物理的，人老了，搞不动了，去搞搞哲学 的沉思也不错。他的思想太深奥，所以呢，他写的这本书不通俗。科普 书籍需要深入浅出，而爱因斯坦老先生深入下去就难以自拔，他无法做 到“浅出”，所以他写的普及读物，普通人读着依然费劲。        现在物理就是顺着这个思路走的，没有物质，那么时空将变得没有 意义。可是这条路是那么崎岖和艰难，未来的统一场理论也不可避免要 解决这个问题，但是到目前为止，还没有完全靠谱的理论。常有人问： 大爆炸之前是啥样子？标准回答是：大爆炸是时间和空间的起点，因此 谈不上以前。有人问宇宙外面是什么啊？标准回答是宇宙包含了所有的 时间和空间，没有外边。这种答案总是让人不满，这不等于啥都没说 嘛！          有关时间的问题非常重要，所以我特别留到最后才来讲。前面讲黑 洞的时候，留了个话题，那就是彭罗斯证明了奇性定理，他是如何证明 宇宙里面必定存在奇点的呢？时间跟奇点又有什么样的关系呢？这要从 宇宙的因果性谈起了。        我们所在的宇宙，因果性应该是不错的，因此我们才可以坐而论 道，才可以研究深奥的哲学与理论物理学。因果性的重要前提就是时序 不能乱，时间不就是一系列事件的顺序排列嘛！那么这一大串的事件必 须保持井然有序，不能乱来，因此像穿越回到过去这种事就要坚决避 免。穿越回去杀死自己祖父祖母之类的事情，不仅仅在伦理上不行，物 理上也一样不行。还记得哥德尔算出来的闭合类时线吗？那东西是坚决 要杜绝的。          哥德尔设想：假如整个宇宙都在旋转，那么就会形成一个超大的闭 合类时线。还记得我们描述过的吗？早上八点钟离开家，出门以后去了 张庄、李庄和马家河子，向前一直走，没有走回头路，却走回了早上八 点钟的自己家。这条奇怪的路径不仅在空间上是闭合的圈，在时间上也 是闭合的圈，就是一条四维时空里的闭合曲线，这种路径假如可以存 在，那么岂不是天下大乱？          好在哥德尔计算出来的那个闭合类时线是个“超大”的闭合类时线， 长度恐怕早已超出了人类的生存时间，更别说人的一生了，绕着宇宙一 圈没个几千亿年下不来，人类反正走在半路上就已经灭亡了，后边的事 也就犯不上操心了。但是短时间内就能循环的闭合曲线让人很不爽，彭 罗斯提出“宇宙监督者”假设就是针对这是个问题。  仅仅凭着我们的常识来判断因果性好坏是不够的，需要列出几条标 准，这都是依据物理学原理提出来的： 1．编时条件：假如一个宇宙没有闭合类时线，这就叫“编时条 件”。事件发生的前后顺序不能乱。 2．因果条件：不可以存在闭合的因果线。这比编时条件要求严， 亚光速的不能回到过去啊，等于光速的也不能回到过去，光子也不行， 否则就可以现在给过去打电报剧透，这怎么能行？ 3．强因果条件：因果线不闭合，两头挨得近也不行。测地线可以 弯得乱七八糟，但是要谨防线中间出现擦碰短路。 4．稳定因果条件：受到扰动，类时线一会儿开一会儿闭，整个一 个接触不良，那不行。不管多大扰动，这根线也不许出现中间擦碰短路 的情况。          当然因果性最好是“整体双曲”，存在“柯西面”。史瓦西黑洞的因果 性相当好；带电黑洞还算不错，达到稳定因果条件了；克尔黑洞比较 差，奇环附近有闭合类时线不说，奇环本身还是个哆啦A梦的任意门， 可以穿向另外一个宇宙，这玩意的因果性显然比较差。当然，因果性最 差的是大话西游里面的那个时空，被“月光宝盒”搞得乱七八糟。           彭罗斯是怎么计算的呢？其实还是带着拓扑学的思路下的手，从两 边着眼，一边是空间的弯曲形状，一边是能量。我们把质量也折算成能 量来看待，从空间弯曲的情况来计算。我们所在的宇宙，假如宇宙的因 果性很好，必定不存在共轭点，但是从能量角度去计算，假如宇宙里面 有一点物质，而且爱因斯坦方程式正确，那么必定存在“共轭点”。一个 空无一物的时空是没意义的，我们的宇宙毫无疑问是有物质的，那么我 们的宇宙必定存在共轭点啊！你要非跟爱因斯坦过不去，那么就啥都别 谈了。          到此为止，这两边算出矛盾来了：按照时空形状和因果条件来算， 必定不存在“共轭点”；按照能量物质来算，必定存在“共轭点”。这该怎 么办呢？彭罗斯说：好办！快刀斩乱麻，让测地线断掉就是了。自由自 在，不受引力之外其他作用力的物体在四维时空里面走出来的路径，就 是测地线。那么这个物体必定走不到共轭点，半路就断掉了，就完美地 解决了这个矛盾，这就是拓扑学的思路。那这个路径被什么截断了呢？ 答案是奇点！          所以，难怪俄国人看到彭罗斯的文章以后脑子发懵。奇点不是黑洞 里面那个空间无穷弯曲的地方吗？怎么在这里跑出来了！你以为你可以 在宇宙里无忧无虑地一直飘着吗？错了！总有一个陷阱在等着你呢。假 如一根四维时空的测地线，两端可以无限延伸，那么必定意味着时间可 以是无限的，没有开端也没有结尾，但是假如一个测地线必定跑到一半 会断掉，那么时间也就不是无限的了。要么有开头，要么有结尾，要么 两个都有。          当然也有人会耍赖，你不是说必定有奇点吗？好啊，我把奇点附近 的时空给挖个洞，连奇点全部挖掉，构造一个特别的时空，这下不就没 有奇点了吗？彭罗斯当然防着你这一手呢，所以奇性定理并不是简单地 把奇点定义为曲率无穷大的点，而是定义成了时间开始或者结束的地 方。你挖个洞，测地线仍然会断掉，你只要把这个坑补上，奇点还会出 来，根本绕不开。          彭罗斯的证明很精彩，也很巧妙，他是数学家转行来研究理论物理 学的，因此数学上玩得特别漂亮。但是，麻烦结束了吗？恐怕还没有， 因为物理学向来“按下葫芦起来瓢”。          假如你的理论与实验结果不相符，那么有可能是实验不精确导致 的，不一定是你的理论有问题。假如你的理论与麦克斯韦的方程组矛 盾，也可能是麦克斯韦错了，你也有可能是对的，尽管麦克斯韦的方程 组是数学严密的推导出来的。但是，你的理论要是与热力学定律矛盾， 那么纯属自己作死，肯定是你错了！          说来也怪，广大的物理学家们对这几条定律的信任程度，远超过了 那些经过漂亮的推导而得出的结论。这几条定律堪称是宇宙基本法则， 让我们来重温一下这几条定律： 1．第零定律：若两系统分别与一系统处于热平衡态，则这两个系 统之间处于热平衡态； 2．第一定律：能量守恒定律； 3．第二定律：熵增定律，绝热系的熵只增不减； 4．第三定律：不可能通过有限次操作把物体的温度降到绝对0度。          奇点附近，你去计算好了，温度弄不好就是绝对零度，要不就是无 穷大。按照热力学第三定律，你不可能通过有限次操作使温度降到绝对 零度，当然，你也不可能通过有限次操作把温度升高到无穷热，可是你 要是一算奇点，这两个家伙就冒出来了。彭罗斯所说的宇宙监督者，很 有可能就是这个“热力学第三定律”，这一条基本上就会防止物理学家们 搞出一个把宇宙弄得乱七八糟的理论。          热力学第一定律就是我们熟悉的能量守恒定律，我常说“出来混， 总要还的”，这也是本宇宙的基本法则，能量总是从一种形式转化成另 外一种形式，但是不会变多，也不会变少，总是守恒的。那么能量守恒 与时间又有什么关系呢？你想想钟摆啊，摆过来摆过去，势能变成动 能，动能变成势能，周期性的状态变化就依赖于能量守恒定律。能量守 恒似乎在暗示着，很多过程是可逆的，就像钟摆一样。牛顿的力学描述 的物理世界是那么确定，过程可逆也没什么新鲜的。          牛顿力学看起来非常可爱，是那么的靠谱，一切都是可预测的。我 们知道一个物体现在的信息，就可以推算出未来的轨迹，也可以倒推过 去的轨迹，简直是前知五百年，后知五百年啊！铁口直断赛过小神仙。 只要信息不缺失，没有什么是无法预料的，直到碰上了……额——三体 问题！           地球人都知道，三个天体在引力作用下相互影响，它们的轨迹是没 有办法计算的。三体问题用牛顿力学来计算，是找不到一般性解法的。 至此，我们突然发现，仅仅添加了一个球，牛顿力学就给“跪”了。不！ 不仅仅是牛顿力学，我们手里威力无比的数学工具微积分居然力不从心 了！          1963年，美国的气象学家洛伦茨在研究大气中的热对流的时候，开 列了一个微分方程组。但是他发现，这个方程组输入的数值即便在误差 范围之内，结果也会大幅度偏离。这个方程式似乎是不听话的顽童，结 果难以琢磨。为什么呢？因为这不是一个线性的方程，大家知道为什么 科学家见到非线性方的玩意儿立刻就一个头两个大了吧？简单的因素可 以导致极其复杂的结果，而且还无法预料。随着我们对科学研究的深 入，迎来的不是一片清明，而是无穷的混沌。一只蝴蝶摆动翅膀，会引 起一场飓风，就是对混沌效应最为形象的表达。          要是热力学和统计物理的前辈高人玻尔兹曼知道后来的混沌理论， 恐怕会在一边“呵呵”。你们才发现啊！热力学里面每个粒子的轨迹都是 没办法计算的，算不出来简直是家常便饭。这东西只能依靠宏观统计， 玻尔兹曼吃的就是这碗饭。热力学第二定律才是王者中的王者，我们宇 宙中最神秘的统治者，就是这个“熵”。           最开始，熵是个热力学的概念，热力学大发展恰恰是在蒸汽机时 代，那时候很多人对永动机特别感兴趣，后来能量守恒定律被发现了， 直接判了第一类永动机的死刑。想要“不劳而获”，凭空多出来能量，门 儿都没有。于是一帮人想到了第二类永动机，他们设想：海水是有温度 的，也含有热量，如果水温降低一度，释放出来的热量就多得用不完 了，这也可以算是第二类永动机，虽然不是永远动下去，但我们不贪 心，一辈子够用也就差不多了。可是，热量都是从温度高的地方流向温 度低的地方，想要倒过来，人家海水不干，凭什么把自己的热量白白送 给你啊？你必须时时刻刻保持比海水的温度还低才行。保持低温耗费的 能量远比从海水里获得的能量多得多，这是一笔亏本的买卖，于是第二 类永动机又破产了。也不知道当年爱因斯坦在伯尔尼的专利局里枪毙过 多少永动机的设计。  为什么热量只能从高温的物体流向低温的物体呢？背后就是熵在起 作用。一杯水很热，屋子里周围空气很冷，这个状态中熵值比较低。屋 子里温度很平均，水的温度和空气温度都一致，达到热平衡。这个状态 中熵值比较高，于是屋子里的总状态就会自动自觉地从低熵态往高熵态 转化，你就会看到热水里的热量逐渐扩散到了整个屋子里，最后达到热 平衡。 熵一开始仅仅是热力学里面的一个概念，但是后来就不限于热力学 了。说来也好理解，在我们的世界里，有些事情总是自然而然地发生 的，有的事情却很费力气；照片和绘画的褪色是自然而然的事，它们从 来也不会自动自觉地越来越鲜艳；一个耳机线你随便放在包里，不多久 就会乱成一团；家里的杂物也总是越变越乱，除非花心思去整理；假如 说瓷器店里闯进一头大象，店主会哭晕在厕所里。这一切都是单向的。 事物往往是变混乱容易，变整洁有序很难，这是为什么呢？背后还是 熵。          热力学第二定律告诉我们，宇宙作为一个封闭的系统无可避免地从 有序走向无序，熵也在不断地增大，这是不可逆的。因此大家怀疑，时 间与熵有着某种联系。这一条足以让“时间旅行”的拥趸断了念想，想跟 热力学定律死磕吗？还是死了这条心吧。         那么时间能不能全局性倒流呢？有人说，现在的宇宙是从一个体积 无限小，温度无限高的点爆炸出来的，随着体积的扩大，温度不断降 低，这个过程是完全封闭的，没有能量散耗，也没有外部的能量输入， 因此是符合热力学里的“绝热系”的。那么现在的熵增与体积的膨胀一 致，假如我们的宇宙中物质比较多，最终会从膨胀变为收缩，宇宙开始 收缩以后，是不是熵增这个规律会被打破变成熵减呢？刘慈欣在小说 《时间移民》的第一章里，通过人物丁仪的口煞有介事地描述了一下大 塌缩发生时，时间将会反演的过程，忽悠得在场人员一惊一乍的。其实 彭罗斯早就指出，即便宇宙塌缩，熵仍然只增不减，这个趋势并不会改 变。因此不仅局部的时间穿越是不可能的，宇宙整体的时间反演也是不 可能的。况且，我们的宇宙恐怕不会面临大塌缩，而是面对大撕裂。          按照现在的趋势，宇宙正在加速膨胀，在暗能量的驱动之下还胀得 越来越起劲，恐怕到了最后，一切都会被扯碎。我们现在仰望星空，夜 观天象，还能看到灿烂的繁星，随着宇宙的膨胀，恐怕很多天体最终都 会离我们而去，退到视界之外，那时候的星空不知道要萧瑟成什么样 子。遥远的类星体不见了，远处的星系也都消失在视界之外，仙女座大 星系早就与我们的银河系合二为一，合并以后的银河-仙女星系形状不 规则，我们看到的再也不是那一道跨过天际的银河，这一切都发生在三 十亿年之后。越来越多的星星熄灭了，在死前最灿烂的一爆之后，留下 美丽的行星状星云，还有不少变成了黑洞，我们再也没法用眼睛看到它 们。          随着宇宙的膨胀，温度也越来越低，物质越来越稀疏，最终会稀薄 得难以形成新的恒星。宇宙越来越暗淡，最终会变得死一般寂静，连黑 洞都蒸发殆尽。时空呈现出了热寂状态，熵值无限。额……貌似我扯得 太远了，我们人类大可不必杞人忧天，还是眼前的事要紧啊！ 熵的增加，我们每时每刻都能感觉得到。时间是把杀猪刀，下起手 来一点不客气，它可以使青丝变白发，可以使光洁的脸庞变得沟壑纵 横。没错，人的衰老也是熵增，这是不可逆的趋势。伏尔泰说“生命在 于运动”，可薛定谔却说生命在于“负熵”，我们总是从外界获取低熵物 质来抵消自己的熵增，当我们再也不能这么做的时候，我们的生命就结 束了。图21-1　爱因斯坦七十大寿从左到右　罗伯逊　E·魏格纳　H·外尔　K·哥德尔　I·I·拉比　爱因斯坦鲁道夫·拉登堡　奥本海默　G．M．克莱门斯        时间去哪儿了？时间在不断地流逝。爱因斯坦最大的梦想还是解决 统一场的问题，但是他鼓捣了后半辈子也没能有什么结果。随着年岁增 大，他也越来越像一个可爱的老顽童：一头乱蓬蓬的白头发，随意地在 街边买个冰激凌，漫步在普林斯顿的街头，或是在小河边与哥德尔一起 散步。1953年，他收到了一张明信片，开头的称呼是“我们科学院尊敬 无比的院长”。爱因斯坦当过科学院院长吗？当过哟！人家早年间组织 过“奥林匹亚科学院”读书会，这张明信片就是留在欧洲的索洛文和哈比 希特写给他的。他俩碰了个头，算是“奥林匹亚科学院”在相隔四十年之 后再次召开会议，可惜“院长”爱因斯坦缺席了，但他是他们永远的院 长，席位将永远保留。爱因斯坦也很感慨，时间真是一晃就过去了。 1954年，爱因斯坦的老朋友贝索先生晕倒在了日内瓦大学数学图书馆的 楼梯上，被人发现后送去了医院，他一辈子热爱知识，虽然没有大成 就，但是能见证相对论的诞生，与爱因斯坦这样伟大的人物相伴，已经 是非常幸福的事了。1955年3月8日，贝索先生去世，同年4月18日，爱 因斯坦也走完了他伟大的一生。          朗道于1962年出了车祸，苏联尽全国的医疗力量为他治疗，国际上 也提供了一切帮助。朗道捡回了一条性命，但是他的天才消失了，他的 物理学生涯结束，甚至无法再长时间地深思，诺贝尔奖委员会生怕他有 意外，忙不迭地颁发给他诺贝尔奖。1968年，朗道去世，他被称为死了 两次的人，享年六十岁。同年，他的俄国同胞、后来移居美国的宇宙大 爆炸学说的创立者之一伽莫夫去世。          1995年，钱德拉塞卡去世，享年八十五岁，他是印度人的骄傲。真 要论起来，恐怕巴基斯坦也有份，毕竟钱德拉塞卡的出生地在巴基斯坦 境内。惠勒算是哥本哈根时代最后一位大师，他的学术生涯从哥本哈根 时代一直跨越到了二十一世纪的2008年，享年九十七岁，他的学生费 曼，那个诺贝尔奖级别的段子手活到了六十九岁，1988年去世。无独有 偶，他的另外一个学生、黑洞熵的提出者贝肯斯坦于2015年去世，也只 活到六十九岁。伽莫夫的学生，最早研究星系旋转速度异常的女天文学 家鲁宾，在2016年圣诞节这一天去世，享年八十八岁。        身残志坚的霍金是1942年生人，已经是古稀老人，仍然坐在轮椅里 面一动不动地静静沉思。即便如此，新闻媒体上时不时还冒出他的“惊 人之语”。比他大两岁的基普索恩也是非常活跃，成了好莱坞的“非著名 影星”。他于2016年获得邵逸夫天文学奖，奖金要比同期的诺贝尔奖丰 厚一点。但是我想，诺贝尔奖在人们心目中的地位是无法代替的，不是 吗？我们都盼望着这一天能到来，谁活着谁就看得见。          最后，借用麦克阿瑟的话来结束本书：“老兵不死，他们只是凋 零。”听起来好像颇有点伤感的意味，要想欢乐一点的？那就换用郭德 纲的话吧：“世界是你的，也是我的，最终都是那帮孙子的…… ...

返回柔软的宇宙：相对论外传 第17章 暴胀         2001年6月30日，威尔金森各向异性探测器（WMAP）搭载在德尔塔II型火箭上，于佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空。        重八百四十千克的WMAP经过三阶段绕地-月系统的飞行后，被推到日-地系统的第二拉格朗日点L2。该点在月球轨道之外，距地球约150万千米，其周围区域是引力的鞍点，运行在这里的卫星会稳稳当当地待在这个位置上。WMAP的维护工作约一年四次。为了获得全天的信息，WMAP采用了复杂的全天扫描方式，做一次完整的全天扫描要六个月时间。第一次公布的数据（2003年）包含了两组全天扫描的结果。人家威尔金森探测器还真是厉害，角分辨率达到了13分。上次发射的COBE探测器的分辨率有7度，分辨率比威尔金森各向异性探测器差很多，也就只能模模糊糊看个大概。        威尔金森探测器发回的数据比COBE精细多了卫星传回来的数据还要做大量的处理工作，要去掉干扰因素，最大的障碍是太阳与银河，它们挡在面前，阻碍着我们接受来自银河背后的信号。        最后想尽办法排除了银河的干扰，那些星星的干扰也全都剔除。精细的背景辐射图终于绘制出来了，里面有着复杂的不规则花纹。微波背景辐射的确是有着微小的起伏，但整体上大致是均匀的。比较热的地方呢，物质密度稍大了那么一丝，冷的地方呢，物质稍微稀薄了那么一丝。正是这些微小的不均匀性，导致了今天的各个天体的形成。稍微稠密一点的地方，引力会更大一点，会吸附更多的物质。更多的物质聚集，反而会更加稠密，于是这个模式就循环进行下去，一直到大型的天体形成，比如恒星，星系……在我们的宇宙中，物质很喜欢成团地聚集在一起，恒星组成星团，组成庞大的星系，星系组成星系团，都是一团一团的。但是星系团以上的大尺度结构，就是比较均匀的了，不再是成团分布，因为彼此之间太过遥远，相互间引力微弱得可以忽略不计。我们现在观察到的日月星辰、星云星系，都得益于宇宙早期阶段那微小的温度起伏。靠着威尔金森的数据我们发现：宇宙是相当平坦的，我们可以根据温度起伏估算出物质的总质量，然后看看宇宙的尺寸大小，大约就可以估计出，这个宇宙到底是个啥形状。还记得我们前几章讨论过的那个弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克度规吗？其中有个k因子，k的取值不一样，我们宇宙的形状也是不一样的。现在就可以根据威尔金森探测器的数据来计算k的数值了，同时我们也能够计算出哈勃常数以及宇宙的年龄。        根据威尔金森探测器的数据计算出来宇宙的年龄是一百三十七亿年，误差大约是两亿年上下吧，这算是比较精确的数字了。可视宇宙的范围大约是九百亿光年的直径，宇宙诞生之初一缕光向我们这里一路飞来，同时宇宙在膨胀，那个发光源也在远离我们。当这缕光跑到了我们这里，发光源已经又后退了好远好远。计算下来，可视宇宙的半径，就是哈勃常数的倒数。再远处，因为宇宙膨胀的速度超过了光速，那里发出的光再也到不了我们眼睛里，于是就产生了一道视界。粗糙地讲，膨胀的宇宙就相当于内外拓扑翻转的黑洞，两者都有个“视界”，一个向外一个向里罢了。        我们的宇宙，曲率因子k大约是0，也就是一个非常平坦的宇宙。我们的宇宙是开放而非封闭的，封闭意味着宇宙的膨胀会有极限，当到达极限以后，会从膨胀转化为挤压，最后挤压成一个点，一切重新开始，这就是所谓的脉动宇宙。假如宇宙是个双曲面结构，说白了就是物质太少，总引力太小，那么结局会是大撕裂，一切都扯碎。现在我们所在的平直宇宙将会比较温和，慢慢地变冷，物质变得越来越稀疏，慢慢变得了无生机。        科学就像推理破案一样充满悬念，我们所在的宇宙曲率居然很巧就等于0，这就是一件非常让人挠头的事了，曲率因子k等于0是小概率事件，这种事居然发生了！                                    图17-2　微波背景辐射下的宇宙        从微波背景辐射（图17-2）来看，我们的宇宙真是太均匀了。这种均匀性也很奇怪，要知道，我们的视野半径是四百五十亿光年左右，直径是九百亿光年，视野直径的两端是彼此看不见的。我们地球在中间，勉强能看见两边，两边要进行热交换就更不着边了，可是温度却出奇地一致，这不奇怪吗？就好比非洲的原始部落和北极圈的爱斯基摩人，他们彼此都不知道对方的存在，也从来没做过任何交流，说话从词汇到口音居然全都一模一样，这里面没有幺蛾子才怪呢。        我国是一个方言众多的国度，这是因为我国历史悠远，地形复杂，气候多样，人口分布也很复杂，十里不同音也不是新鲜事。美国的口音虽然也有差异，但是要比我国小得多。究其原因，就是因为美国的历史太短了，人口扩散的速度太快，从当年阿巴拉契亚山脉以东狭长的十三州殖民地到地跨两洋称霸世界的霸主，也不过才二百来年的历史，口音还来不及形成差异。以此类比，难道宇宙诞生之初也有过快速的扩张时期？麻省理工学院的阿兰·古斯提出的暴胀理论恰好可以解决这些问题。暴胀理论提出：大爆炸以后的某一时刻，时空在不到10 -34 秒的时间里迅速膨胀了10 78 倍，然后，宇宙才开始慢腾腾地继续膨胀。还记得爱因斯坦场方程里面那个“宇宙常数”吗？他偶然犯下的错误如今派上了大用场，暴胀时期，宇宙常数不为0，正因为宇宙常数不为0，才会产生暴胀的情况。这种暴胀也把早期宇宙大尺度内的扭曲给扯平了，只剩下了非常微小的纹理，才造成了今天我们看到的这么平坦的宇宙。        过去，标准的宇宙大爆炸模型还有个难题，那就是所谓的“磁单极子”问题。磁单极子是狄拉克在研究量子力学的过程中发现的，而麦克斯韦的电磁学方程则认为没有磁单极子。磁性物质，不管是分解到多小，一定是同时存在南北极，就如同微小的指南针一样。你根本找不到一个物质，只具备磁南极或者是磁北极。但是狄拉克从公式推导中发现，磁单极子是有可能存在的，但是这么多年一直找不到磁单极子的痕迹，显然是出了什么问题导致的。在宇宙大爆炸的初期，温度极高，物理学中四种基本的力都没有分开，电磁力、强核力和弱核力会统一成为“大统一力”。当温度开始降低，强力分离出来了，对称性被打破，在这个过程里，会产生某种“拓扑缺陷”。这些“缺陷”看起来，物理性质就如同“磁单极子”。标准的大爆炸模型是会产生很多磁单极子的，不会找来找去找不到。暴胀理论解决了这个问题，按照暴胀理论的原理，磁单极子的密度会下降好多个数量级，找不到也是正常的。        到底是什么驱动宇宙早期发生暴胀呢？现在还众说纷纭。一般认为那时候是由“暴胀场”在主导。暴胀虽然可以解释很多现象，但是还需要有观测证据才行，只有从微波背景辐射这个大数据库里面去挖掘。2014年的一天，阿兰·古斯教授收到了一封电子邮件，内容大概是这样的：“尊敬的古斯教授，我们发现了一件有趣的事情，这个发现跟我的研究和你的研究都有关系，但是我还不能告诉你具体是什么内容，我希望能够尽快拜访你——这件事还是稍微有那么一点着急的，期盼你的回复。另外，出于保密的原因，请不要跟任何人提起我跟你联系见面这件事情，谢谢。”邮件的落款人，正是哈佛大学的约翰·科瓦克。        阿兰·古斯教授心一动，他猜到了，这是他等了几十年的一个信号！他已经七十岁了，没想到有生之年还能有机会看到自己的暴胀理论被观测证实。暴胀会不会留下什么可以检测的痕迹呢？暴胀产生的原初引力波很可能对微波背景辐射产生影响，导致在微波背景辐射里留下某种“大风车”一样的痕迹，这种痕迹学名叫做“B极化模式”。      美国在南极点上有个考察站，叫做“阿蒙森-斯科特”考察站，这个考察站安装了一台“宇宙泛星系偏振背景成像”（BICEP2）望远镜（图片17-4），这台望远镜就是专门来寻找原初引力波痕迹的装置。至于说为什么要放到南极去，是因为这地方非常干燥，探测器需要观察一千亿赫兹到三千亿赫兹的微波辐射，可惜大气层中的水蒸气会吸收和干扰这个频率。不差钱的可以发卫星去太空，可惜卫星的“快递费”实在是太贵了，要想价钱便宜量又足，就必须在地面上打主意：要么放到干燥的沙漠里面，要么放到冰天雪地的南极点。南极点比沙漠还干燥，水分都在脚下变得硬邦邦的，空气中一点水分也没有。                   图17-4　宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP2）         约翰·科瓦克就是这玩意的负责人，一定是这家伙听到了什么信号。果然，约翰·科瓦克告诉阿兰教授，看到了好几个信号，而且可信度达到5个Σ，也就是说出错的可能性在千万分之一。大家都很高兴，但是为什么要保持神秘低调呢？那是因为，哪怕是可信度如此之高的结果，也有鸡飞蛋打的时候，低调点是非常必要的。2014年3月17日，美国哈佛-史密松天体物理中心的科学家召开新闻发布会，公布了他们的一个“重大发现”。他们宣称在宇宙微波背景辐射中检测到了B模式极化信号，这可能是宇宙最初时刻存在原初引力波的结果，因此可能为宇宙早期被称为“暴胀”的急剧膨胀过程提供了首个观测证据。        结果一发表，天体物理学界立刻炸开了锅，不少人认为与他们看到的并不是什么宇宙暴胀引力波引起的扰动信号，而是银河系尘埃搞出来的信号。BICEP2团队于6月19日在《物理评论快报》发布的论文承认，观测到的信号可能大部分是由银河系尘埃的前景效应造成的，他们对这项结果的正确性持保留态度，必须要等到10月份普朗克卫星的数据分析结果发布之后，才可做定论。                                   图17-5　普朗克卫星        看来要想“尘埃落定”，就只有看欧洲人的普朗克探测卫星（图17-5）的数据了。普朗克巡天者是欧洲人和美国NASA合作的计划，这个探测器的精确度比威尔金森探测器还要高，可以画出更加精细的微波背景辐射图。普朗克卫星的数据修正了我们原来对于宇宙的认识，宇宙的年龄是一百三十八亿年，比原来估计的要大一点，相应的哈勃常数比原来小一点，宇宙膨胀的速度也比我们过去知道的慢一点。        2015年1月30日，BICEP2团队承认对资料的判读错误，观测到的信号无法排除掉银河系辐射尘埃的影响，不足以证实这项结果就是早期宇宙的引力波所形成的B极化模式。大家白兴奋一场，一朝回到解放前啊！看来保持低调的确是非常聪明的做法，即便有问题也不至于被啪啪地打脸。        不过，不管是NASA威尔金森探测器也好，还是欧洲人的普朗克探测器也好，最大的发现还是让人大跌眼镜。原来，我们宇宙中的这些重子物质，也就是看得见摸得着的这些物质，居然只占了所有物质总量的4.5％。那些庞大的星系，闪闪发光的恒星，那些美丽的星云，那些元素周期表上的元素，加起来也不到全部物质的一个零头，剩下的大批物质我们全都看不见，这还了得！         这就引出了二十一世纪物理学上的两朵乌云——暗物质和暗能量，这还是要从二十世纪的三十年代讲起。1933年的加州理工的校园像个安静的世外桃源，角落里那个对星星着迷的三十五岁男人显然跟这些毫无关系，他叫兹威基，是加州理工的一位年轻的学者。我们前面提到过此人，他就是最早预言中子星的人之一。当时他把注意力完全放在了后发座星系团上，这个星系团在狮子座附近，由一千个大星系、三万多个小星系组成。兹威基面对一堆密密麻麻的数字和符号正在发愁。        要测量星系团的质量，一般有两种方法：“动力学质量”计算，需要的数据是各星系之间的相对速度和平均速度，而“光度学质量”要求测量各星系的光度。不可思议的是：“动力学质量”是“光度学质量”的四百倍！为什么后发座星系团有99％的质量“下落不明”？难道“动力学质量”中用到的牛顿运动定律不再适用？或者，星系团的主要质量并不是由可视的星系贡献的？兹威基做出了以下推测：宇宙大部分质量不可见，因此光度方法测算不出。于是便有了“暗物质”一词。        当然了，那时候兹威基还是用牛顿力学进行的计算。既然“暗物质”既不发光，也不反光，那么根本就没法看到它们，以当时的观测手段显然没法进一步研究。于是他把精力放到了超新星上，暗物质就先搁在一边了，这一搁就是几十年。        二十世纪的六十年代，女天文学家薇拉·鲁宾正在研究比较冷门的星系转动曲线问题，在测量银河系恒星运动的时候，她又发现了令人感到不可思议的事。鲁宾发现：按理说，离银河中心越远，恒星运行速度应该越慢才对，可是在银河系的外侧，恒星速度几乎一样。最外侧的恒星实际运行速度，显然比计算出来的速度快多了，照这样快的旋转速度，银河系根本就维持不住，早就转散架了。到底是什么力量在拽着它们不让它们被甩出银河系呢？某些天文学家就把当年兹威基的想法给挖出来了：存在一些我们看不见的不发光也不反光的东西，是它们的引力把这些恒星给拉住了。打个比方，黑色的咖啡里面倒进去白色的奶，拿勺子一搅和，那一丝丝的纹路，就好比我们银河系的恒星，黑色的咖啡，就好比是暗物质。        后来，引力透镜现象被发现了。原来某些遥远的天体，发出的光路过半途中的星系团的时候，会被星系团的引力给扭曲。从我们地球上看起来，遥远的天体居然图像是变形的，就像隔着玻璃透镜一样，这个效应叫做“引力透镜”，最著名的就是“爱因斯坦十字”。通过引力透镜，我们很容易计算出星系团的总质量，然后再与星系团的亮度做对比，亮度按理说也可以反推出星系团的总质量，但这两个值始终相差悬殊，这就是暗物质的确凿证据。                                    图17-8　爱因斯坦十字        至此暗物质的存在基本上是板上钉钉的事了，之所以叫做“暗物质”，其实就是“不知道”的意思，我们不知道这玩意是什么。科学家们脑洞大开，纷纷开始推测暗物质到底是何方神圣？当然了，有很多东西，我们的确很难看到，比如黑洞，这家伙也是不发光的，也是仅有质量。还有那不计其数的褐矮星，它们很暗淡，探测到它们也很困难，尘埃也同样难以探测。这些都是已知的物质，它们全部加起来，恐怕也不够分量。到了二十世纪八十年代，们基本被排除在了暗物质的概念之外，说白了，暗物质是一群保持低调（对电磁波无感）的家伙。人们在微波背景辐射里，又一次找到了暗物质的蛛丝马迹。早期宇宙中的物质处在引力收缩和膨胀压强之间的微妙平衡之上，物质分布的方式在细节上与暗物质理论惊人地相符。暗物质占宇宙总质量的26.8％，可见物质有多少？只有4-5％，这个结果证明当年鲁宾等人的结果接近正确。         这个神秘的暗物质到底是啥呢？粒子物理学家们说，你们搞不定了吧？这事儿还要靠我们！宇宙间也就那四种已知的力：强相互作用、弱相互作用、电磁力、引力。暗物质粒子跟电磁力不发生作用，弱相互作用应该是存在的，引力是必然存在的。假如有弱相互作用存在，那么粒子就应该会有衰变啥的，衰变出来的粒子应该能检测到，即便不能检测，也应该可以模拟计算。        粒子物理学家们就在此时大显身手了，他们对暗物质的讨论，可比天文学家们的讨论热闹得多。物理学家们既可以模拟计算，也可以做实验。大型强子对撞机，那就是他们手里最得力的工具。粒子被加速到极高的速度，撞到一起以后，全部化为能量，能量又会变成粒子，能量越大，变出来的粒子能级越高。至于是哪种粒子，这个看运气，说不定就能变出来个暗物质粒子，我们只要知道输入了多少能量，看看撞出来的粒子折算成多少能量。假如两者不相符，还差一大块，恐怕就是暗物质粒子。暗物质只能用算总账的办法计算出来，反正对撞机撞来撞去也没发现有这么个东西。        对撞机撞不出来，那么是不是可以算出来呢？在他们的理论中，暗物质又分成了三类：冷暗物质、热暗物质，还有就是温暗物质。他们被一个个送进了大型超级电脑里进行模拟计算，看看哪个模拟的结果能够跟实际观测相符合。首先送进去验证的是所谓的弱相互作用大质量粒子（WIMP），它们具有质量（可以施加并感受引力），但不与光发生相互作用（无法被看到）。物理学家们根据大爆炸的宇宙模型进行了计算，在大爆炸中被创造出来的WIMP的数量，与宇宙学观测得出的暗物质密度恰好吻合——这可太爽了，有人称之为WIMP奇迹，大家都相信，暗物质就是这东西。        既然如此，看来证实这个WIMP很有希望，能不能探测到这个东西呢？能，但是非常麻烦，因为我们最擅长的检测手段是通过电磁波，无论是光学仪器还是无线电仪器，都是探测电磁波的。“弱相互作用大质量粒子”与光没有半毛钱关系，只能依靠间接探测。直接探测暗物质的实验已经进行多年，这些实验都是地下实验，选择在地下建造实验室是为了屏蔽宇宙射线以及地球表面其他辐射背景。科学家们为了探测暗物质，不得不蹲在深坑里常年观测。意大利的格兰萨索山实验室很早就开始研究如何探测暗物质粒子了，从1996年开始收集数据，但是搞了N年也没发现有说服力的数据。        下面该我们中国人登场了。我国在四川的锦屏山电站隧道里，建立了一个最干净的暗物质探测实验室。它上面有一座两千四百米的高山，这么厚的山体，屏蔽了宇宙射线的干扰，当年也是世界上岩石覆盖最深的地下实验室。与其相比，位于意大利中部格兰萨索山区的欧洲地下实验室就像个地窖，太浅了。在四川的群山下，粒子物理学家最头痛的宇宙线的强度仅为格兰萨索山区的1/200，为实验提供了“干净”的环境。地下实验室是粒子物理和天体物理学等领域的暗物质探测研究、中微子实验等重大基础性前沿课题的重要研究场所，不但需要尖端技术，还需大量资金投入。说白了，没有强大的国力，根本就玩儿不起啊！地下实验室用来探测暗物质的方法有两个：一个是将晶体放在极低温的环境中探测，温度低于100毫开尔文，当暗物质粒子击中晶体中的一个原子核，原子核反冲可以被探测到，例如反冲可以产生微小的热量，最常用的晶体是锗。第二种方式是用惰性液体，暗物质粒子与液体中的原子发生反应后产生光子，这些光子可以被探测到，常用的液体有氙和氩。         氙在零下100摄氏度的时候变成无色透明的液体，形成一片稠密的“树林”。如果足够幸运，宇宙中的一颗暗物质粒子与探测器中的某一颗氙原子相撞，撞飞的氙原子会发光发电，相当于“树”在摇动，这个动静会被探测器内部的光电感应系统捕捉到。至今为止，也没发现暗物质的痕迹。锦屏山实验室要想办法把试验灵敏度提高二十倍，看看那样能不能发现暗物质的踪迹，这毕竟是一种守株待兔的办法。至今为止，这些艰苦蹲坑的科学家们都还没得到希望的结果，看来蹲守一时半会儿是难以发现暗物质粒子的。要想探测暗物质粒子的迹象，恐怕地底下是不行了，答案还是要从天上去找。一个名叫“阿尔法磁谱仪”的仪器被发射进了太空，它能发现暗物质的痕迹吗？且听下回分解……...

  返回柔软的宇宙：相对论外传 第18章 玩自爆的小偷               说到阿尔法磁谱仪，那可是大大的有名，因为主导者就是大名鼎鼎的丁肇中（图片18-1）。他年轻的时候就展露出了在实验物理方面的才华，后来在大型物理学实验方面每战必胜，从无败绩，1976年还拿了诺贝尔物理学奖，因此在国际上威望非常高。他搞的项目中有不少都是国际合作项目，人员来自世界各地，就好像“小联合国”。他协调各方各面，干起事情雷厉风行毫不拖泥带水，有“科学沙皇”之称。                                图18-1　丁肇中和aIpha磁谱仪        这个阿尔法磁谱仪已经是第二代了，因此缩写叫AMS2。探测原理是基于一个假设：暗物质粒子的反粒子就是它自己，因此两个暗物质粒子偶尔碰到一起会发生湮灭，产生的能量会创造出电子以及正电子。我们从天体物理的模型可以计算出一个正电子和电子的比例关系，假如正电子比例多得不正常，那么必定有蹊跷，极有可能是暗物质粒子产生的。意大利的帕梅拉探测器在2008年探测到多余的正电荷，但是帕梅拉探测器并不能分辨到底是质子还是正电子，这两种粒子都带正电，因此需要新的探测器去探测，阿尔法磁谱仪就应运而生了。        这个计划是一个国际合作项目，共动员了二百多人，来自三十一所大学院校和十五个国家。我国作为丁肇中的祖国，自然是积极参与。核心部件永磁铁是我国的产品，强磁铁离不开稀土，我国是稀土大国，近水楼台先得月。这个阿尔法磁谱仪是个大家伙，大概有近七吨的重量，必须安装到国际空间站上。2003年哥伦比亚号航天飞机在从太空返回的时候空中解体，宇航员全部死亡，再加上航天飞机维护费用极其昂贵，这次事故之后，航天飞机的退役就进入倒计时。可是俄罗斯的飞船没办法运这么重的东西，险一险就没了运载工具。最终还算幸运，搭上了末班车，在2011年的倒数第二次航天飞机任务中，阿尔磁谱仪被送上了国际空间站。随后航天飞机全部退役进了博物馆，太空霸主美国暂时失去载人航天的能力，直到今天。        经过几年的运行，阿尔法磁谱仪积累了大量数据。到了2014年，阿尔法磁谱仪已发现了一千〇九十亿个电子与反电子，在已经完成的观测中，暗物质的六个特征已有五个得到确认，这一研究结果将人类对暗物质的探索向前推进了一大步。在一个能量段内，正电子多得不正常，应该与暗物质有关系。这些正电子来自四面八方，并没有某个特定方向，与暗物质的分布是相符合的。        2015年底，我国也开始参与大型科学探测项目，发射了暗物质粒子探测卫星，经过社会征名，起了个颇有民族传统的名字叫“悟空”。“悟空”上搭载了四种探测器，分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器，造价七亿人民币。虽然听起来很贵，但是起码比阿尔法磁谱仪的价钱便宜多了，那时候美国人可是花了二十亿美元呢！暗物质粒子探测卫星能探测的粒子的最大能量大约是阿尔法磁谱仪2号的十倍，同时，能量分辨率更高，比NASA费米卫星的准确率提升了十倍，并且能观测阿尔法磁谱仪2号无法观测的光子。我国现在也越来越多地参与到这种基础科学的探测与实验中来，除了寻找和研究暗物质粒子，这颗卫星还将致力于研究宇宙线起源和伽马射线等，极大地推动我国空间科学的发展。没有蒸蒸日上的综合国力支撑，就没有办法玩这些探索未知的项目，经济基础才是王道，咱们如今也不差钱了。       别看探测器一个个都升空了，也拿回了不少的数据。可是先别高兴得太早了，科学研究总是按下葫芦起来瓢，这边数据对上茬了，那边就很可能错得离谱。在计算机上玩模拟计算的科学家们可遇上麻烦了，2012年，美国加利福尼亚大学欧文分校的宇宙学家迈克尔模拟了标准冷暗物质对矮椭球星系形成过程的影响，这是一种环绕着银河系运转的迷你卫星星系，通过观察矮椭球星系内部恒星的运动方式，迈克尔能够推断出它们内部暗物质的含量。他说：“结果好像讲不通，模拟得到的矮椭球星系要比真实宇宙中我们看到的质量更大，密度更高。”既然“冷暗物质”的不行，咱就来算“热”的，让“热暗物质”上去试试看。它们更不容易成团，从而形成更为松散的星系。在二十世纪八十年代，有人怀疑，暗物质是不是就是中微子啊？中微子也是一种中性的、不喜欢与其他物质起作用的粒子，热暗物质模型就是以中微子为基础的。但后来发现，热暗物质与冷暗物质恰恰相反，中微子运动太快，根本聚集不成相对紧密的星系结构。        还有第三个办法。几年前，弗伦克让他的团队去寻找一个“最佳”解决方法，暗物质既不太热，又不太冷，而是刚刚好。让他们吃惊的是，这种不冷不热的温暗物质能够形成与观测相符的矮椭球星系。不过，仍然会有其他影响：温暗物质粒子的主要候选者是惰性中微子，大型强子对撞机或许会撞出惰性中微子，但它们很难探测，只有当普通中微子自发转变成惰性中微子那一刻恰好被看见，我们才能知道有这么回事。如果不冷不热的温暗物质才是暗物质本尊，那么以前各种实验那不就是拜错了庙门？特别是在直接探测WIMP粒子方面，那岂不是花了大把的冤枉钱啊！要知道卫星和国际空间站也都不便宜，还有那些苦巴巴地在深山老林里蹲坑守候的探测者，岂不是也白花了大把的汗水与青春？真凄凉……        英国爱丁堡大学的豪尔赫和他的同事们，也一直在探测近距离矮椭球星系中暗物质的分布。他们发现，暗物质在这些星系的直径方向上似乎是均匀分布的，他说：“这种恒定不变的密度是我们事先没有预料到的。”用任何温度的暗物质进行计算机模拟，不管是冷的、热的，还是温的，得出的矮星系都是越靠近中心密度越高。体形稍大、距离更远的星系也看到了这种现象。        考虑得再复杂一些，普通物质要是和暗物质掺和在一起作用呢？这事就更复杂了。至今为止，各路消息都有，就是没有一路是确切肯定的，至今还是一个谜。暗物质说到底，还是一种说不清道不明的存在。从微波背景辐射的数据来看，暗物质虽然要比普通物质多了好多倍，却仍然不占大头。占据真正统治地位的是另外一种物质，叫做“暗能量”，这东西就更加神秘。根据最新的普朗克卫星的数据推测，4.9％是普通物质，26.8％是暗物质，68.3％是暗能量，大头是暗能量。这暗能量又是属于哪路神仙？居然如此神秘，连个脸都不露，这东西到底是怎么被人发现的呢？这还要从宇宙中一个不那么光彩的小偷说起。        在宇宙中测量距离，很多时候是靠光度法来测量的。一个一百瓦的大灯泡，亮度我知道，那么就可以拿这个作为依据来计算距离。只要是知道大灯泡的瓦数，我再测量一下亮度，就可以计算出它有多远了。那么我怎么知道这个灯泡是几瓦的呢？哈勃靠的是造父变星，造父变星的变光周期跟亮度有关系，可以根据亮度变化周期来计算出这个灯泡到底是几瓦的。那么换算一下，距离也就知道了。1929年，哈勃首先发现河外星系的视向速度与距离成比例（即距离越大视向速度也越大），并给出比值为500，后来人们称为哈勃常数，以符号H表示。1931年，哈勃和哈马逊第二次测定H为558，后又订正为526，计算哈勃常数的时候应用了造父变星和星系中的最亮星来标定距离。1952年巴德指出，仙女星系中造父变星的星等零点有问题，需要调整一下，变动了1.5等，由此哈勃常数应修订为260。1958年桑德奇指出：哈勃所说的最亮星实际上位于电离氢区，因此要再加上1.8等的星等改正，从而将哈勃常数降低为H＝75。1974～1976年，桑德奇和塔曼又用七种距离指标的方法重新修订哈勃常数，得到H＝55，只及哈勃当年测定值的1/10。这就是说，按哈勃定律推算星系的距离，用H的新修订值所得结果比哈勃当年所得的结果增大十倍，这也说明哈勃常数是出了名的难以测定。        自从二十世纪七十年代以来，许多天文学家用多种方法测定了H，各家所得的数值很不一致，哈勃常数测定值的分歧在于用不同的方法给出的距离不一致。排除掉观测的误差，银河系内距离指标的标定不确定等外在因素，还有内在原因。例如：不同星系之间由于化学成分、年龄、演化经历的不同，距离指标和绝对星等之间的关系就不会一致。在2006年8月，来自马歇尔太空飞行中心（MSFC）的研究小组使用美国国家航空航天局的钱德拉X射线天文台发现的哈勃常数是77，误差大约是15％。2009年5月7号，美国宇航局NASA发布最新的哈勃常数测定值，哈勃常数被确定为74.2±3.6，不确定度进一步缩小到5％以内。最近这个数值又被普朗克卫星修正为67.8±0.77。这是怎么测出来的呢？因为找到了新版本的大灯泡。对于遥远的星系，望远镜里面看起来太小了，即便是个星系团也只看得见一个小亮斑，根本无法分辨里面的造父变星，因此造父变星这种“标准烛光”就不再好使了，必须寻找一种新的“大灯泡”，需要亮得耀眼，亮得出众，亮得独一无二。天文学家们的目光就盯住了一个宇宙里的“小偷”，而且是个玩“自杀式爆炸的”恐怖分子，这个大灯泡太亮了，比一个星系的光还要亮，哪怕是在宇宙边缘，也能看得真真切切，这把量天尺就是1a型超新星。       宇宙里面不少数的星星都是成双成对的，双星系统之中，一颗星偷吃另一颗星的气体的事太常见了，只要相互靠得够近，必然会出现这种偷东西的情况，按照电视小品里的说法叫“薅羊毛”。假如那个小偷是个白矮星，“薅羊毛”就要“薅”出危险了。白矮星密度很大，大概咖啡方糖这么大的物质就有一吨重，白矮星的体积跟行星差不多，比如天狼星的伴星，就是一颗白矮星，体积跟地球差不多大。但是表面引力是地球表面的十八万倍，温度在一万度上下。白矮星因为体积小，密度高，表面引力强。假如双星系统一面有一颗是白矮星，另外一个是普通恒星或者红巨星，白矮星偷吃隔壁邻居的气体就特别方便。但是别忘了，前头还有个钱德拉塞卡极限呢，大约是1.44个太阳质量。白矮星要是不断地偷吃隔壁邻居的气体，那么就会越吃越大，慢慢质量就开始逼近1.44个太阳质量了。当达到钱德拉塞卡极限的那一刻就突然扛不住了，“砰”地一声炸掉。因为白矮星的质量是逐渐逼近钱德拉塞卡极限的，所以爆炸威力基本恒定，大约到了1.44个太阳质量就炸，而且是刚刚临界就爆炸了，彻底炸干净，一点儿不剩，不大可能残留下中子星。这样的话，爆炸亮度就每次都一样，齐刷刷地一致。只要判断是这种类型的超新星爆炸，旁边的伴星也被炸得尸骨无存。超新星爆炸的亮度顶得上一个星系的总亮度，离得老远就能看见，在天文学上，管这种“小偷玩儿自爆”叫做1a型超新星。NASA确定哈勃常数，靠的就是1a型超新星。        有了这把可靠的量天尺，科学家们就开始了一项观测计划：那就是搜寻大红移超新星。看看在遥远的宇宙深处有没有超新星爆炸，最好是1a型超新星。那样的话，就可以方便地测量出距离。要知道，光穿越宇宙也要花时间，越是遥远的天体就越古老。我们现在看到的景象，就是这些天体小时候的样子，那么我们就可以分析出宇宙早期的天体演化情况。多统计统计，不就可以把那时候的宇宙情况了解个大概了吗？科学家们找了一圈下来，观察到了几十个1a型超新星，它们的红移量也都很大，说明退行的速度很快很快。根据哈勃定律，越远的退行越快，那么大概也可以毛估它们的距离。结果这帮科学家核对了又核对，当最终结果摆在面前时，大家全傻了：宇宙正在加速膨胀。怎么会这样呢？        从超新星的距离上来看，远比我们预计的要远得多，也就是说比预计的暗很多。那么按照现在的膨胀速度是对不上茬了，宇宙必定存在一个加速膨胀的过程，而且到现在为止仍然在加速膨胀。科学家们大跌眼镜啊！要知道这个结果太出乎意料了！本书前面的章节讲过，科学家们曾经计算过宇宙的形状，要是物质够多的话，宇宙的曲率会很大，会造成宇宙封闭。膨胀会越来越慢，最后停下来，然后开始开倒车，宇宙开始大收缩，最后收缩成一个大挤压的奇点。要是宇宙里面的物质太稀少，那么很可能宇宙就是平直的，或者是个马鞍形的宇宙。这两种宇宙都是开放的，虽然膨胀会减慢，但是永远也减不到0。你盼望过程逆反，开始收缩，那是不可能的了。但是即便如此，也是个渐渐减速的过程，怎么会莫名其妙地加速呢？到底是谁给宇宙提供的能量？宇宙为什么会加速膨胀呢？        做了大量数据分析以后，科学家们大致弄清了整个过程：宇宙大爆炸的早期，的确是按照人们开始计算的那样，“砰”地一下，宇宙暴胀开了。然后呢，物质产生了，万有引力也就一并产生了。那时候宇宙很小，大家彼此离得都很近，引力很集中，那时的宇宙的确是减速膨胀的。但是大概就在六十亿到七十亿年前，宇宙开始加速膨胀了，就像踩了油门一样越胀越快。        一定是有一种东西，在支撑着宇宙的加速膨胀。这种东西，我们过去一直不知道它的存在，说白了也像暗物质一样，不与光发生干系，对我们来讲是看不见的。但是这种东西与暗物质相反，它存在一股斥力而不是引力。我们知道有引力的物质很喜欢一坨一坨地粘在一起，暗物质也喜欢成坨地聚集。但是暗能量就不同了，因为互相之间是斥力，它们不会聚集成团，必定是在广袤的宇宙间均匀分布的，那么也就接近于常数的样子。难道是常数？大家心里“咯噔”一下子，貌似有个常数还挺出名啊，那就是爱因斯坦的那个宇宙常数啊。当年爱因斯坦为了扯平宇宙的膨胀，特地加了个常数进去。后来哈勃观测到了宇宙的膨胀，爱因斯坦悔得肠子都青了，把宇宙常数称为他一生最大的错误。不过添加了这个宇宙常数，就如同打开了潘多拉的盒子，再也关不上了。无数人开始刷论文，先拿不带宇宙常数的公式写一遍，然后拿带宇宙常数的公式再算一遍。也有人是反过来的，带着宇宙项去计算，看看最后能不能推导出宇宙常数等于0，要是等于0，那爱因斯坦当年就不该加上宇宙常数，反过来就是爱因斯坦没错。刷来刷去，这个宇宙常数存在感还挺强的，所以大家立刻就把爱因斯坦的这个宇宙常数给想起来了，好像跟暗能量还蛮符合的。        假如暗能量就是爱因斯坦的宇宙常数，那爱因斯坦本事也太大了，连犯错误都犯得这么帅！也有人怀疑，这是第五种基本的力。我们知道宇宙间有四种基本的力：强力，原子核里面就归它管，距离稍微远点儿就够不着了；电磁力，这个大家都知道，我们看得见摸得着的物质都是电磁力的表现，金刚石为什么那么硬？石墨为什么那么软？这都是化学键不同导致的，化学键就是电磁力在起作用；弱力，这家伙导致了放射性元素的衰变，氢核融合变成氦也靠它；引力，爱因斯坦解释成时空的弯曲，引力非常弱，但是作用距离非常远，大尺度内，没有哪种力能压得住引力。过去认为引力是大尺度内的王者之力，但是现在看来，引力在更大尺度内败给了暗能量，暗能量想必是一种更加微弱，但是作用距离更远的东西。假如是爱因斯坦的宇宙常数的话，那么整个宇宙应该是处处一致，常数嘛！是否随时间变化呢？就像哈勃常数那样，其实并不是常数，而是随时间变化着，现在还不知道宇宙常数是否也随时间变化。        现在，我们可以想象得出大爆炸的开始阶段：宇宙膨胀经历了暴胀，体积瞬间增大了几十个数量级，当物质和引力产生之后呢，宇宙膨胀就开始减速了；随着宇宙不断膨胀，物质也就变得稀薄了，再加上物质因为引力的缘故喜欢一坨一坨的，那么两坨物质就开始彼此远离，在星系团以上的尺度内，物质就不是成坨分布的了，而是在彼此远离，慢慢地相互之间的引力也在减弱，万有引力是按照平方反比的规律在衰减。终于，物质离得足够远了，已经小于暗能量的斥力了，这时候暗能量开始占据压倒性优势，虽然弱，但是架不住持之以恒，齐心协力，宇宙就被这股能量充斥着持续加速膨胀。        有人说，这个暗能量好像也是来无影去无踪，看不见摸不着，甚至无法直接探测，是不是跟量子力学描述的那个“真空零点能”有点像呢？会不会就是真空量子涨落搞的鬼呢？有人按照量子场论来推导宇宙常数，结果一算吓一跳，计算出来的值比观测到的值大了n倍！有人说，天文观测能搞对数量级就很不错了，大个n倍也没关系，但是你要知道这回计算差的可不是那么一星半点，相差的倍数那是10 120 ，完全对不上茬了。        看来这个算法是不对的，有人就开始打牛顿的主意了，一小部分人开始怀疑万有引力的平方反比规律。假如平方反比规律只是个近似规律，那就好办了。假如大尺度内不符合平方反比规律，比如星系级别比平方反比要大，到了星系团以上的级别比平方反比要小，那么就可以统一解释暗能量和暗质。根据奥卡姆剃刀原理：“如无必要，勿增实体。”这样的话，不需要引入暗物质和暗能量这两种东西，就能解决现有问题。现在这类理论中影响最大的一个叫做“修正牛顿动力学”，简称“MOND”，他们觉得引入暗物质没有必要，引力其实是一种“熵力”，都是这个熵在背后捣鬼。还记得黑洞熵吗？引力与温度居然有联系，这不是偶然的，背后必有蹊跷，这一派“修正主义分子”就是这么想的。        可是引力的平方反比规律久经考验，不是想推翻就能推翻的。平方反比规律从根本上讲来自于三维空间的场，这东西其实就是计算力线的密度，还记得法拉第摆弄的磁力线吗？对于引力，我们一样可以用类似的办法。我们可以假想从地心发射出了无数的“引力线”，一平方米内有很多力线穿过。距离远上一倍，力线就变得稀疏多了，一平方米内力线的密度大约是原来的四分之一，这就是平方反比的来历。这也从侧面证明了，我们的宇宙不算时间的话，空间是三维的。万有引力也好，库仑定律也好，都是平方反比规律。这是三维空间内普遍的规律，想要推翻，说实话挺难的。但是有人分析了一百五十三个盘状星系的状况，发现它们与“MOND”理论吻合得蛮不错的，于是支持暗物质的一派和支持MOND的一派还在撕扯中。目前还是支持暗物质的一派占上风，因为间接证据更充分一些。        还有一派人马想要刨了爱因斯坦相对论的老根儿：要是引力质量与惯性质量不相等，那么这事儿就变得好玩了，广义相对论即便不被推翻也要大幅度修正。口说无凭，只能凭实验来判定，有人还在很高的塔上专门进行自由落体实验，看看能不能发现什么蛛丝马迹。他们到现在也还没发现靠得住的证据，理论上的事，毕竟还是要靠观测来一锤定音。对于宇宙边缘的研究，基本上就依赖这些高红移的天体。越是遥远的天体，光传递到我们眼里的路程就越长，时间也越久。反推过去，事件发生之时，也要比现在早很多年。现在科学家们找到了不少红移非常大的1a型超新星，伽马射线暴的红移量比1a超新星还要大得多，伽马射线暴可以说是宇宙里仅次于宇宙大爆炸本身的最强大的爆发，因此可以在极远的地方看到伽马射线暴。现在观察到最远的一颗1a超新星大约在一百亿光年左右，红移量大约1.914，但是伽马射线暴的红移量轻松达到6，红移最大的达到8.2。反推爆发的时间，那时候宇宙诞生仅仅六点四亿年，相当于还是个娃娃。对于研究早期宇宙，高红移的天体是个重要的线索。        说来有趣，对伽马射线暴的研究之始居然涉及军事机密。那是在美苏冷战的时代，双方都要监视对方的核试验，核爆炸会产生伽马射线，于是美国人就发射了伽马射线探测卫星到太空，专门监视苏联有没有异样的伽马辐射，顺带监视中国的核试验。不过美国人倒是吃了一惊，隔三差五就能收到非常短促的伽马射线，难道苏联人隔三差五就能爆核弹？这也太夸张了吧！事情涉及军事机密，因此被捂了好几年才在专业科学杂志上发表。这些伽马射线显然不是核弹爆炸搞出来的，方向根本不来自地面，而是来自宇宙深处，强度也很大，规模相当于太阳这么大的恒星在一百亿年中发出的能量在一瞬间全部释放出来，人类哪有这么大的本事啊！        当然，早期对伽马暴的监视不算精确，经常搞不清楚准确方向，为伽玛暴来无影去无踪，偶尔来那么一下，马上就消失了，你也看不到这事是谁干的。一直到1996年，荷兰和意大利联合搞的BeppoSAX卫星上天，才发现了伽马射线暴的余晖。原来伽马射线暴会在x射线波段留下余晖，时间比较长。这下好了，天上卫星一报告发现伽马射线暴，地面上长枪短炮齐刷刷地对准那个方位抓紧观测和研究，不久，伽马射线暴的光学余晖和射电余晖也被观测到了。        随着数据越来越多，大家发现伽玛暴分为两类：一类持续时间在两秒以内，伽马射线的频率比较高，称为“短暴”；另外一类持续时间比较长，在两秒以上，频率也比较低，称为“长暴”。现在基本认定，短暴来自中子星的合并，当两个中子星合并在一起，会短时间内爆发出极大的能量，然后中心变成一个黑洞。长暴则来自大质量的天体坍塌成黑洞的过程，五十到一百个太阳质量的巨大恒星在死亡的时候，会发生超新星爆炸，最终坍塌成为黑洞，期间伴随着天体的两极方向出现强大的喷流（图18-5）。宇宙中的天体都在自转，旋转就会产生磁场，会把炙热的物质沿着自转轴方向喷出去。现在，天体物理学家们在研究伽马射线暴的时候，也使用一个“火球模型”，跟当年宇宙大爆炸的“火球模型”有相似之处。不管是长暴还是短暴，到最后还是会得到一个黑洞加上一个吸积盘，周围的气体全部被吹散。          图18-5　编号G299的超新星爆发后的残迹        伽马射线暴时不时就来它一家伙，就像宇宙里的一位杀手，临死了还要“随机放一枪”，至于哪个星球躺枪，这就难说了。假如伽马射线暴在离地球很近的地方发生，地球会被伽马射线暴彻底烤焦，好在我们周围没有那么恐怖的玩意。有人猜测，这也是宇宙里面生命如此罕见的一条理由。某一星球好不容易进化出生物，巧不巧被伽马射线暴喷到，星球表面瞬间完蛋，这不是倒霉催的嘛！宇宙间的生命，恐怕大部分就这么死得不明不白。 伽马射线暴说到底是黑洞玩出来的东西，喷流虽然能量强大，但是时间也很短促。黑洞能不能搞出长时间持续性的喷流呢？且听下回分解……...

简介:  目录:  全球顶尖科学家集体盛赞跨界推荐 宇宙中不能承受之轻余晨易宝支付联合创始人，《看见未来》作者引 言 穿越平行世界，找寻宇宙的终极本质第一部分 星际空间之旅01 我们在空间中的位置：从地球到宇宙空间是无边无际的吗被低估的空间哥伦布的好运气误打误撞解开日地距离的谜题地球和太阳之间有多远恒星离我们有多远从百万到十亿再到万亿，不断刷新尺度的星系空间的本质皆数学02 我们在时间中的位置：溯流至时间源头太阳系制造机：45亿年的引力与压力之战星系，宇宙里的“超级大比萨”宇宙最深处，一窥微波的神秘原子是大爆炸的产物吗03 数字中的宇宙通缉令：寻找精密宇宙学精确的微波背景起伏，让预测符合观测幸运降临我们宇宙的终极地图大爆炸从何而来04 宇宙的起源：是谁制造了宇宙大爆炸我们的大爆炸哪儿错了1秒的1035分之1，暴胀在须臾之间不断给予的礼物大爆炸只是宇宙之树上的一个枝丫05 欢迎来到平行宇宙第一层多重宇宙，地球的孪生兄弟第二层多重宇宙，永远无法到达的地方种子已经埋下，所有故事必然自行徐徐展开第二部分 穿越粒子世界06 神奇的宇宙乐高原子乐高原子核乐高粒子物理学乐高数学乐高光子乐高凌驾于物理定律之上？量子与彩虹轩然大“波”量子怪诞性共识的崩塌关不住的怪兽量子力学的困惑07 第三层多重宇宙，最狂野不羁的现实隐身于希尔伯特空间随机性的幻觉被审查的量子怪诞性被人抢先，苦中作乐你的大脑为什么不是量子计算机支配我们宇宙的主体、客体与环境量子自杀奇案量子永生？多重宇宙统一了多世界，还是多废话？第三部分 探秘数学宇宙08 万物理论的追索之旅心灵之眼并不能看到真正的外部实在真相，所有真相，只要真相共享的共识实在外部实在与共识实在的桥梁09 宇宙是由数学写就的伟大之书数学，到处都是数学！我们宇宙中的万事万物，都是纯粹的数学数学结构到底是什么10 重新认识自我：时间是幻觉吗物理实在怎么会是数学的你是什么你在哪里你在何时11 第四层多重宇宙，万物的终极答案为什么我相信第四层多重宇宙探索第四层多重宇宙：那里有什么第四层多重宇宙的启示我们生活在模拟世界中吗数学宇宙假说、第四层多重宇宙和其他假说之间的关系检验第四层多重宇宙结 语 生命，宇宙以及万物的未来推荐阅读致 谢译者后记 内容介绍：《彗星来的那一夜》《蝴蝶效应》《银河系漫游指南》《奇异博士》等众多烧脑科幻大片争相借鉴的主题——平行宇宙！在另外某个星球、甚至某个不同的宇宙中，存在另外一个甚至无数个你，过着与现在完全不同的生活，在那里，逝去的挚爱仍然还在，某个不可挽回的错误还未曾发生……平行宇宙理论*研究权威——迈克斯·泰格马克教授告诉我们，这一切都可能发生！苍茫宇宙可分为四层多重宇宙，每一层多重宇宙又包含无数层平行宇宙。也就是说，所有已经发生的和即将可能发生的，都有可能在不同平行宇宙中重演！而生命、宇宙和万物的终极问题的答案也隐藏其中！在这场物理学和宇宙学的终极智力冒险中，迈克斯·泰格马克教授从“实在是什么”开始，从极大的尺度和极小的尺度开始，带领读者踏上了探索宇宙终极本质的神秘旅程，并得出了堪称“惊世骇俗”的结论：宇宙不只是被数学所描述，宇宙本身就是数学！无论你能否接受他的假说，这一幅宏大的宇宙图景都将让我们感慨宇宙与生命的微不足道！作者简介：迈克斯·泰格马克1969年出生于瑞典。本科毕业于斯德哥尔摩经济学院与瑞典皇家理工学院物理系，之后在加州大学伯克利分校物理系攻读了博士学位。 MIT物理系终身教授，平行宇宙理论*研究权威。《科学》杂志“2003年度突破奖”第一名获得者，被誉为“最接近理查德·费曼的科学家”“当今*原创力的物理学家之一”。 未来生活研究所（Future of Life Institute）智库创始人，致力于人工智能方面的研究。内容截图： ...

简介:  目录:  前 言 远古时代的宇宙发生过一场高科技战争第一章 很多神话都和火星有关 /5・ 天堂与大地的统治者第二章 行星大爆炸是末日的真相吗？ /22・ 古代大灾难的漏洞・ 解读古代灾难背后的真相第三章 地球上的巨人是谁？ /37・ 巨人存在的古代证据・ 奇特的传说和时间线索・ 巨人们来自外星第四章 “行星大爆炸假说”引发的争论 /51・ 杀手小行星与宇宙大爆炸假说第五章 神秘的月球 /70・ 月球是如何出现在如今的轨道中的？・ “阿波罗11号”与月球异常・ 月面瞬变现象与绝密望远镜计划・ 碎片、撞击坑与“陨石持续轰炸”・ 月球还会鸣响！・ “阿波罗”12号和13号以及其他月球轶事第六章 火星与“火星的恐惧” /89・ 火星表面的异常・ 火星的“恐惧”・ “两套太空计划”假说第七章 土星——光环之王 /110・ 希腊神话中的土星：泰坦之战・ 土卫八奇怪的轨道机制・ 土卫八表面的异象・ 霍格兰德的“土卫八三大假说”第八章 人类历史比你所想的长多了 /123・ 远古时代存在着高等文明・ 奇怪的远古物品暗示着某种技术的存在・ 外星高等技术遭到了隐瞒第九章 众神的雷霆：古代文献中的外星人证据 /137・ 古代神话中暗含了等离子体宇宙论・ 史前岩画和安东尼・帕拉特・ 神圣武器・ 行星的“疤痕”・ 物理实验室里重现了宇宙战争第十章 银河的真相：星球们的真实含义 /171・ 古代神话具有多重意义・ 向太阳投掷彗星・ 银河系的通讯网络和星际武器第十一章 诸神的叛乱与争战 /197・ 故事的苏美尔版本・ 古埃及文献・ 胡胡里人：乌利克米神话・ 320万年前的大洪水缩短了人类寿命第十二章 能量石：众神之战的祸端 /248・ 石中的技术是战争缘由・ 力量石依然在地球的某个角落第十三章 命运石板的奥秘 /269・ 神话与石板的持有者・ 命运石板的神话以及“命运”的含义・ 命运石板与物理学有诸多联系第十四章 神族谱系中的惊人秘密 /301・ 苏美尔神话与《圣经》的相似之处・ 威廉・加德纳爵士的神族谱系表・ 尼努尔塔-宁录与巴别塔第十五章 史前混沌与巨龙族 /319・ 原初叛乱与战争・ 不同的神话讲述了同一个故事第十六章 警惕！远古宇宙战争的启示 /330 内容介绍：最专业最学术的远古外星人研究者约瑟夫·法莱尔博士，横跨哲学、历史、神学几大领域，结合了现代物理与古代文献，探索320万年前的星际爆炸，揭秘史前的超尖端科技，重现被远古人见证的一场星际大战，描绘已经灭绝的人类种族，颠覆你对外星人以及宇宙的一切认知。根据《苏美尔王表》记载，人类史上曾有八代国王统治了长达24万年的惊人纪录。然而，一场大洪水过后，人类的寿命剧减。洪水前后究竟发生了怎样的变化？公元前335年，恺撒大帝率领的罗马军团所向披靡，然而一支神秘的巨人种族却令他们惊惧不已。时至今日，巨人族的化石与骸骨仍在世界各处出现。这些异于常人的种族从何而来？上百万年前的众神们竟为争夺一块神秘的“命运石板”而发动了跨星系的战争！“命运石板”中究竟潜藏了怎样的力量，又为何持有它的人们会变得贪婪而邪恶？翻开本书，观看一场毁灭性的真实远古星际战争。秘密技术的争夺、星球的沦陷与极具破坏力的先进武器都尽在其中。远古文明大毁灭的真相，星球消失的原因被一层一层慢慢揭开作者简介：约瑟夫·法莱尔（Joseph P. Farrell）：远古外星人研究者。先后获得圣经研究与哲学文学学士、历史与神学研究文学硕士以及基督学博士学位。他毕生致力于另类史学、科学与古代文献的研究，并提出了“吉萨大金字塔武器”假说内容截图： ...

  返回柔软的宇宙：相对论外传      第16ç«  星际穿越        但是就在霍金提出黑洞辐射的前后脚，另一个物理学家安鲁计算证明了安鲁效应。这个效应很奇怪，在一个匀加速的观察者看来，周围的真空会放热，真空居然有温度了！这是非常奇怪的一件事。而温度与观察者的加速度有关系，安鲁自己也不是很明白，这到底意味着什么呢？后来看到了霍金对于霍金辐射的证明过程，他恍然大悟，自己发现的这个效应和霍金辐射有异曲同工之妙。因为按照爱因斯坦的广义相对论，加速运动引起的惯性效应，跟空间弯曲引起的引力效应是不能分辨的，因此在霍金辐射是黑洞视界附近真空量子效应引起的热辐射。安鲁效应是加速引起的量子效应热辐射，在一个加速观察者后面，会有一个弧形的视界，与黑洞视界是类似的。在加速运动的观察者看来，真空不再是正反对称抵消的，会以热辐射的方式释放能量，这又是一个毁三观的发现。原来，你感觉周围的真空是没有温度的，但是从你身边加速通过的另外一个观察者可不这么认为，他会感到周围的真空是有温度的，真空的温度居然也与观察者状态有关系。        黑洞蒸发的问题引起一群量子物理学家的不满，他们认为：一对纠缠的粒子，负粒子掉进了黑洞，正粒子辐射出去了，这时候温度会急剧升高，那么在黑洞视界的背面就会出现一道温度极高的火墙。真空里面瞬间产生的一对虚粒子是相互纠缠的，你以为拆开纠缠的粒子那么省事吗？要是把这些复杂的情况考虑进去，哪还有那么简单！为了信息守恒的问题，霍金还和索恩一起跟普雷斯基打赌，他跟索恩是一个战壕里的战友。        霍金很爱打赌，他平生有三大爱好，第一个物理学，是职业，第二个是摇滚乐，算是业余爱好。毕竟英国是摇滚的重量级国度，霍金青少年时代，披头士正流行，喜欢摇滚这也难免，第三个爱好就是打赌。1975年，他跟索恩就打过赌，那时候刚好发现了天鹅座X1（图16-1），是一个非常强烈的辐射源，能够喷射出高能的X射线和伽马射线。这是一个双星系统，距离我们六千光年。一个天体疯狂地从隔壁邻居身上偷吃气体，因此会发出强烈的辐射。霍金就打赌：这个X1不是黑洞，索恩则认为是黑洞，假如霍金输了，霍金就给索恩买一年的《阁楼》杂志。霍金其实内心非常希望X1是个黑洞，那他为啥要打赌X1不是黑洞呢？他是这么盘算的：假如X1是黑洞，那么自己的理论就赢了，就算给索恩订一年的杂志也不算亏；要是自己打赌赢了，X1的确不是黑洞，那么能获得索恩给订一年的《私家侦探》杂志也不错。这是金融领域常用的一招，叫做“对冲”，可见他经济头脑也不差，估计改行当基金经理都没啥问题。所以我们会发现，霍金打赌往往是反的，他希望存在黑洞，那么他跟人打赌必定是赌黑洞不存在。这样他不论输赢，都不会吃多亏。                                                    图16-1　天鹅座X1        这个赌约一直到了1990年才有比较确定的证据：X1就是黑洞。于是霍金话付前言，趁着到南加州演讲的机会去找索恩认输。恰巧当时索恩人在莫斯科，没在美国，霍金大张旗鼓地闯入索恩的办公室，把当年的赌据翻出来按了手印表示认输，给索恩订阅了一年的《阁楼》杂志。第二次打赌是有关会不会存在裸奇点的问题，霍金说不会有裸奇点。后来人家证明黑洞蒸发的时候，有可能剩下一个裸奇点。霍金耍赖不干了，说这个裸奇点是量子力学的裸奇点，跟那个广义相对论的裸奇点不是一回事，闹了半天想赖账，后来赖账不成，老老实实认输了事，赌注是一百英镑外加一件衣服。霍金弄了件T恤衫送去，衣服上还写上了一句话——“大自然讨厌裸奇点”，他还是死犟嘴。        第三次打赌就是有关黑洞里面的信息是不是会消失的问题了，这一次霍金和索恩是一伙的。大概霍金吃了索恩好几次亏，这回学乖了，不打算跟索恩作对，俩人跳到了一个战壕里，合伙对付普雷斯基。霍金在1974年证明了霍金辐射，黑洞发射出的光谱就是标准的黑体谱，不带任何信息，你只能知道温度，其他的你啥也不知道了。黑洞的蒸发是纯态变成了混合态，宇宙的熵增加，但是重子数守恒、轻子数守恒、信息守恒全部被破坏了。所以普雷斯基认为这不可能，黑洞里面的信息一定会以某种形式跑出来。这时候有两个人出来证明了信息真的守恒，他们就是派瑞克和威尔切克。派瑞克是威尔切克的学生，威尔切克还因为夸克粒子理论（强作用）方面所取得的成就研究获得了2004年的诺贝尔物理学奖。        他们要在霍金的理论上挑出毛病来才能够推翻霍金的理论，然而霍金的黑洞辐射计算是非常严谨的，想要鸡蛋里挑骨头，难度很大。不过毛病还真给他们挑出来了。他们说：霍金你有个因素没想到，一个黑洞，跑出来一个光子，黑洞就减少了一丝的质量，半径那么一缩，导致黑体谱偏移了一丝，因此这个黑体谱就带上信息了，信息就跑出来了。大家都懵了，谁也没想到少掉一个光子也要计算进去，黑洞的质量太大了，即便是恒星级别的黑洞，质量起码也是太阳的好多倍。黑洞这么大的质量，跑出一个光子，你还好意思计账吗？大家都觉得这一个光子引起的变化完全可以忽略不计，但派瑞克认为这一个光子是必须计算在内的，正是因为少了个光子，黑洞轻了一丝，半径一缩小，导致黑体谱偏移，信息就带出来了。我们讲的好像很简单，其实计算起来麻烦透顶，要计算量子隧穿效应。他们计算的是史瓦西黑洞和RN黑洞，派瑞克因此获得了国际引力学会的一等奖。        他们的论文一发表，世界人民又一次开启刷论文模式：你算个RN黑洞，那好啊，还有克尔黑洞没人算呢，我去算个克尔黑洞；你算个光子辐射，那电子行不行啊？其他粒子行不行啊？基本粒子不要太多哦！你别以为灌水刷屏是没有意义的事啊，大家灌水一多，会发现他们的论文里面有瑕疵。派瑞克的计算过程里用到了可逆过程，但此处不可以使用可逆过程，那么他们的证明很有可能就是无效的，一朝回到解放前。论文无效的话，奖项是不是也无效了呢？那倒是不必，如此尖端的领域，思想突破比最终的计算更重要。        到了2004年，霍金做了一个演讲。他认为自己输了，认为黑洞可能过于理想化了，真实情况恐怕不是这个样子，信息是守恒的。索恩不服气啊，他说这事不能霍金一个人说了算，你也不商量一下就认输了。普雷斯基听得一头雾水，他也不知道自己怎么就赢了。不管怎么样，霍金是认输了，答应给人家一本《棒球百科全书》，这次打赌的赌注是信息本身，哪知道这本书绝版了，买不到，霍金就给人家找了一本《板球百科全书》凑合了。        索恩不依不饶，就是不认账，反正他也不亏，那本书本来他也需要掏钱，他没给。他自己也很喜欢打赌，而且经常赢。霍金输多赢少，索恩赢的比较多。当然索恩也输过，他跟苏联人打赌，结果输了一瓶上等的威士忌，苏联人爱喝酒那是出名的。索恩的研究范围很广，到处都有涉足，最出名的成就就是对于虫洞的研究。这个虫洞要从爱因斯坦讲起了。爱因斯坦-罗森桥，顾名思义是爱因斯坦与助手罗森合作完成的。他们认为：黑洞的奇点，会通向另外一个宇宙，那边是个白洞，会喷出来。但是后来研究发现，黑洞到白洞之间的那个喉部是封死的，物质或者信息要想穿越过去是不可能的，只有超光速的信号才能传过去。现在我们找不到超光速的信号，光速是物理极限，因此这个爱因斯坦罗森桥是死口，通不过去。        到了1957年，米斯纳和惠勒一起研究，发现了虫洞的确可能存在。惠勒非常擅长起名字，“虫洞”这个名字又是惠勒给起的，这个名字很形象。他们研究的这个虫洞，依然无法通过，两个黑洞的奇点可能一瞬间能够联通起来，但是马上就断了，连光都来不及穿过去。假如是克尔黑洞行不行呢？毕竟奇环比奇点可爱多了，奇环不是像一个机器猫的任意门吗？可以穿进穿出才对啊。但索恩认为这是不行的，有个“柯西视界”，你一碰，这个通道就塌了。这时候量子科学家们又出来搅局，他们说奇点和奇环附近有大量的量子效应，你会烧得渣都不剩，说起来也很有道理。假如把虫洞附近量子涨落之类的情况全考虑进去，真不知道是什么景象。        一直到了二十世纪八十年代，对虫洞的研究进展都不大。那时候的虫洞，并没有如今这么大名气，直到出现了卡尔·萨根。这位可是科普界的达人，人家名气大，影响力强，不仅是科普达人，还是科幻作家。1985年，他写了一部科幻小说叫做《接触》，在小说里面需要一个星际穿越的情节。假如要跟织女星周围的人做联系，就必须想法子穿越到织女星周围去。卡尔·萨根想利用黑洞，从这边的黑洞跳进去，然后从那边的白洞喷出来，这不就完成穿越了吗？他写完了小说以后，找索恩把把关找找BUG，索恩看后告诉卡尔·萨根，不作死就不会死，不要用黑洞，进黑洞是自寻死路，要改用虫洞，这玩意还是有可能玩儿出星际穿越的。        卡尔·萨根听从了索恩的意见，后来小说大卖，还拍成了电影，算是最硬的硬科幻电影之一。好莱坞不会放过这么优秀的宏大题材，换成今天国内互联网业界术语这叫“IP”。虫洞也就从一个科学计算的模型，变成了一个公众常常挂在嘴边的名词。索恩决定要好好地研究一下虫洞（图16-2），探索可以穿越的虫洞到底需要什么条件才能成立。1988年，他和学生莫里斯发表了一篇论文，这篇文章发表在了《美国物理学》杂志上，这名字虽然带着“国字号”，其实只是给物理教师看的半科普性质的杂志，这相当于小庙来了尊大神仙。他们的论文就发表在了这么一本杂志上，严谨地证明了一个虫洞如果有足够多的负能物质是可以撑开的，可以稳定地存在一段时间。但是，需要的负能物质的量太大了，撑开一个半径一厘米的虫洞，需要地球质量的负能物质，撑开一个半径1千米的虫洞，需要太阳质量的负能物质，假如撑开一个一光年半径的虫洞，那就需要银河系星星总量一百倍的负能物质。                                                            图16-2　虫洞        即便是撑开一个直径一厘米的仅能偷窥的虫洞，我们需要的负能物质也多得惊人。想让一个大活人钻过去，那是不可能的。1千米够不够呢？其实也不够。直径过小，张力会扯碎任何物质。说白了，时空不平摊，扭曲太厉害，物质受不了，只有超过一光年大小的虫洞，才有可能不会扯碎物质。原子可能不会扯碎，人就保不齐了。况且需要的并不是我们宇宙中随处可见的正能量物质，而是负能量物质，这种物质恐怕找都找不到。        什么是负能物质呢？大家知道质量可以折算成能量，E＝mc 2 这个公式，大家都不陌生。光速的平方，一定是个正值，能量要形成负数，只有质量是负的才行。负质量物质，一切行为都与正质量物质相反，万有引力变成斥力了，你明明向前推，它却反过来向后加速。中学生都知道F＝ma，F是正的，m是负的，a当然是负的，F与a的符号总是相反，反正这种物质非常奇怪。        那么，能不能用其他的途径获得负能量的物质呢？答案是可以的。按照量子力学的描述，真空不空，真空并非空无一物，而是一片沸腾的量子海洋，各种虚粒子在其中不断出现，然后又不断泯灭。在1948年，卡西米尔描述了一个现象，这个现象后来被称为“卡西米尔效应”：在真空里，插入两块金属板，相互平行不接触，当距离非常近的时候，两块金属板会感受到一股向内的压力。两块金属板是电中性的。那么这股压力是å摢閲屾潵鐨勫憿锛熷崱瑗跨背灏旂粰鍑轰簡瑙ｉ噴锛氫袱鍧楅噾灞炴澘涔嬮棿锛屽苟闈炰粈涔堥鐜囩殑娉㈤兘鑳界ǔ瀹氬瓨鍦紝鍥犱负椹绘尝鐨勪綔鐢紝鍙湁鐗瑰畾棰戠巼鐨勬尝鎵嶈兘瀛樺湪銆傞噺瀛愬姏瀛︽湁涓�涓緢鏈夋剰鎬濈殑鐜拌薄锛屽彨鍋氣�滄尝绮掍簩璞℃�р�濓細涓�涓矑瀛愶紝鏃㈡槸绮掑瓙鍙堟槸娉€�備袱鍧楅噾灞炴澘涔嬮棿锛屽彧鏈夋尝闀垮悎閫傜殑绮掑瓙鎵嶈兘瀛樺湪锛岄噾灞炴澘澶栦晶锛屾病杩欎釜闄愬埗锛屼换浣曠矑瀛愰兘鍙互瀛樺湪銆傚洜姝や袱鍧楅噾灞炴澘鍐呬晶涓庡渚х殑閲忓瓙鎬佷笉涓�鏍凤紝瀵艰嚧浜х敓浜嗕竴鑲″悜鍐呯殑鍘嬪姏銆備袱鍧楅噾灞炴澘鐩歌窛鍗佺撼绫崇殑璇濓紝鍘嬪己鍙互杈惧埌涓�涓ぇ姘斿帇銆�        鐪熺┖锛屾垜浠涓烘槸鑳介噺鏈�浣庢�侊紝鏄閲忕殑鍩哄噯绾裤�傚彲鏄繖涓ゅ潡閲戝睘鏉夸箣闂寸殑鑳介噺锛屾瘮鐪熺┖杩樿浣庯紝鍚﹀垯瀹冧咯鎬庝箞浼氳鐪熺┖寰�閲屽帇鍛紵鐪熺┖鍋囧鏄兘閲忕殑0鐐癸紝閭ｄ箞杩欎袱鍧楅噾灞炴澘涔嬮棿鐨勮兘閲忎竴瀹氭瘮0杩樿浣庯紝灏辩浉褰撲簬璐熻兘鐗╄川銆傚崱瑗跨背灏旀晥搴斿凡缁忚鑽峰叞鐨勮幈椤垮疄楠屽妫�娴嬪埌浜嗭紝宸叉槸鏉夸笂閽夐拤鐨勪簨瀹烇紝杩欑瓑浜庣敤瀹為獙鐨勬柟寮忚瘉鏄庝簡鐪熺┖涓嶇┖锛岀湡绌烘槸閲忓瓙娌歌吘鐨勬捣娲嬨��        褰撶劧浜嗭紝鍗¤タ绫冲皵鏁堝簲鐨勮礋鑳介噺澶井寮变簡锛岀浉褰撲簬涓�绔嬫柟绫崇┖闂村唴鍙湁鍑犱釜璐熻川閲忕墿璐ㄧ矑瀛愶紝鏄剧劧娌℃湁鍔炴硶鎼炲嚭閭ｄ箞澶х殑瑙勬ā銆傚鏋滈偅涔堝鏄撳氨鑳藉紕鍒颁竴鏂や袱鏂ょ殑璐熻兘鐗╄川锛岃櫕娲炰篃灏变笉浼氬姝ょ綍瑙佷簡銆傚熀鏅储鎭╄绠楀嚭鏉ョ殑铏礊鏄釜绋冲畾瀛樺湪鐨勮櫕娲烇紝杩欑绫诲瀷鍙仛鈥滄礇浼﹀吂铏礊鈥濄�備綘浠庢礇浼﹀吂铏礊绌胯秺锛岀浉褰撲簬鎶勮繎閬撹蛋鎹峰緞锛屽啀鐭殑鎹峰緞涔熻繕鏄鑺辨椂闂存墠鑳介�氳繃銆傝繕鏈夊彟涓�绉嶁�滄鍑犻噷寰楄櫕娲炩�濓紝杩欑铏礊鎻忚堪璧锋潵灏卞儚绉戝够灏忚閲岀殑鈥滅灛绉烩�濓紝绐佺劧鍙戠敓绐佺劧娑堝け銆傚湪鐢靛奖銆婂ぇ璇濊タ娓搞�嬩腑鍛ㄦ槦椹板湪鏈堝厜涓嬮珮鍠娾�滆埇鑻ユ尝缃楄湝鈥濓紝鐒跺悗灏辩灛闂寸┛瓒婁簡锛屾垨璁稿幓浜嗗埆鐨勫湴鏂癸紝鎴栬鍘讳簡鍒殑鏃朵唬锛屼粠姝ゆ椂绌哄彉寰椾贡涓冨叓绯燂紝杩欎及璁″氨鏄亣涓婁簡娆у嚑閲屽緱铏礊銆傛鍑犻噷寰楄櫕娲為渶瑕佹瀬寮哄ぇ鐨勭鍦猴紝鍦扮悆涓婃牴鏈悶涓嶅嚭杩欎箞寮虹殑纾佸満锛屽彧鏈夐珮閫熸棆杞殑涓瓙鏄熷懆鍥达紝澶ф鎵嶈兘鏈夎繖涔堝己澶х殑纾佸満銆備絾鎴戜滑鏄剧劧娌″姙娉曞幓涓瓙鏄熻竟涓婃楠屼竴涓嬶紝绌胯秺鐬Щ涔嬬被鐨勪簨鎯呬篃灏卞彧鑳藉仠鐣欏湪浜轰滑鐨勬枃瀛︿綔鍝侀噷浜嗐��         閴翠簬濡備粖缃戠粶灏忚涓┛瓒婄殑鎯呰妭宸茬粡娉涙互鎴愮伨锛屼竴涓汉绌裤�佺粍闃熺┛銆佹鐫�绌裤�佸弽鐫�绌匡紝閮藉凡缁忛兘琚汉缈绘潵瑕嗗幓鍐欎簡澶澶娆★紝鍥犳鎴戜篃灏变笉璇︾粏鎻忚堪鏃剁┖绌胯秺鐨勫熀鏈煡璇嗕簡銆備絾鏄垜浠殑瀹囧畽浼间箮浼氶樆姝㈢┛瓒婁簨浠剁殑鍙戠敓锛岃璧锋潵涓嶅緱涓嶆彁鍒颁竴涓彨鈥滃绁栨瘝鎮栬鈥濈殑闂锛氫竴涓汉瑕佹槸閫氳繃鏃堕棿鏃呰锛屽洖鍒拌繃鍘绘潃浜嗕粬鐨勫绁栨瘝锛屽绁栨瘝娌＄敓瀛╁瓙涔嬪墠姝绘帀浜嗭紝閭ｄ箞浠栬嚜宸变篃灏变笉鍙兘瀛樺湪浜嗭紝杩欏湪閫昏緫涓婂嚭鐜颁簡鎮栬銆傚ソ鍦ㄨ繖浜嬪埌鐜板湪涔熸病鏈夊彂鐢熻繃锛屾椂闂存梾琛岃�呮垜浠崐涓篃娌¤杩囷紝瀵规锛屾湁浜轰細鎻愬嚭骞宠瀹囧畽鐞嗚锛氫綘绌胯秺鍥炲幓鏀瑰彉鍘嗗彶锛屽叾瀹炲苟娌℃湁鏀瑰彉鍘熸潵鐨勬椂闂磋酱锛岃�屾槸浣挎椂绌哄彂鐢熶簡鍒嗚锛屽湪杩欎釜鑺傜偣涓婁骇鐢熶簡涓�涓柊鐨勫垎鏀紝涓庡師鏉ユ槸骞跺垪鍏崇郴锛岃繖鏍风殑璇濓紝閫昏緫鎮栬鏄В鍐充簡锛屼絾鏄繖涓钩琛屽畤瀹欏張璇ュ浣曢獙璇佸憿锛熺墿鐞嗗瀹朵滑鍙槸闇�瑕佺‘瀹炲彲闈犵殑璇佹嵁銆傗�滃涓栫晫鈥濈悊璁鸿櫧鐒剁幇鍦ㄥ緢娴佽锛屼絾鏄篃娌℃湁鍔炴硶鍘婚獙璇併��        闇嶉噾鍊惧悜浜庝笉鑳藉共棰勫巻鍙诧紝涓轰粈涔堜笉鑳藉共棰勫巻鍙插憿锛熶粬娌″姙娉曠粰鍑虹悊鐢憋紝鍙槸璁や负鏌愭潯鐗╃悊瀹氬緥涓�瀹氫細闃荤浣犲共棰勫巻鍙诧紝杩欎笌褰綏鏂殑鈥滃畤瀹欑洃鐫ｈ�呭亣璁锯�濇湁寮傛洸鍚屽伐涔嬪銆備笉杩囨垜浠粛鐒朵笉娓呮鍒板簳鏄摢鏉″畾寰嬩細闃绘杩欑閫昏緫涓婄殑鎮栬銆傚皬璇村甯哥敤鐨勬墜娈靛彨鍋氣�滈钑夌毊鈥濓細涓昏鏈潵瑕佹敼鍙樺巻鍙诧紝浣嗘槸浜嬩笉鍑戝阀锛岃剼搴曚笅涓�婊戯紝鎽斾簡涓ぇ椹洞锛岄敊杩囦簡鏈轰細銆傚ぇ瀹朵互鍚庢湁鏈轰細绌胯秺锛屽皬蹇冭剼涓嬶紝鍗冧竾鍒俯鍒伴钑夌毊銆傚熀鏅储鎭╁浠婂凡鏄綅涓冨崄鏉ュ瞾鐨勮�佷汉锛屼粬杩樺湪濂借幈鍧炲ぇ鐗囥�婃槦闄呯┛瓒娿�嬮噷鎷呬换浜嗙瀛﹂【闂�備粬鍐欎簡涓�鏈功鍙�婃槦闄呯┛瓒婁腑鐨勭瀛︺�嬶紝璇︾粏鎻忚堪浜嗕粬濡備綍璁惧畾涓�涓笌瀵兼紨闇�姹傜浉绗﹀張涓嶈繚鍙嶇墿鐞嗗鐨勯粦娲烇紝杩欐槸濡備粖瀵归粦娲炶櫕娲炵瓑鏂归潰绉戞櫘鏈�娣卞叆鐨勪竴鏈功銆傝繖鏈功娌℃湁鍑犱釜鍏紡锛屾瘯绔熷綋骞撮湇閲戝緱鍒扮殑蹇犲憡鏄瘡鍔犱竴涓叕寮忥紝璇昏�呭氨浼氬皯涓�鍗娿�傞湇閲戠殑濂藉熀鍙嬬储鎭╁熀鏈篃绉夋寔浜嗚繖涓師鍒欙紝鍦ㄨ繖鏈功閲岄潰浣犲彲浠ョ湅鍒板浣曡绠椾竴涓厠灏旈粦娲炵殑鍚哥Н鐩橈紝榛戞礊鍛ㄥ洿鐨勫厜褰辨槸濡備綍鎵洸鐨勩�傚鏋滀綘瀵归粦娲炶櫕娲炴湁鍏磋叮锛屼笉濡ㄥ幓鐪嬬储鎭╃殑涔︼紝濡備綍绉戝鍦扮┛瓒婏紝杩欐湰涔︽槸浣犳湁鐢ㄧ殑鎸囧崡銆傚畤瀹欒癁鐢熶箣鍒濓紝閲忓瓙娑ㄨ惤鏋佸叾鍓х儓锛屾椂绌轰篃琚壄鏇插緱涔变竷鍏碂銆備綘瑙佽繃涓�杩炰覆鑲ョ殏娉″悧锛熷畤瀹欒癁鐢熶箣鍒濅篃寰堝彲鑳借鎵洸鎴愪簡杩欎釜鏍峰瓙锛屾场娉′滑杩炴帴鍦ㄤ竴璧凤紝鍙兘娉℃场閲岄潰杩樻湁娉℃场锛屽氨濡傚悓瀹囧畽閲岄潰杩樺彲鑳芥湁瀛愬畤瀹欐垨鑰呭瓩瀹囧畽銆傛槸涓嶆槸浼氱暀涓嬫煇浜涢�氶亾娈嬪瓨鍒颁粖澶╁憿锛熻繖涓�鍒囧張瑕佸洖鍒板ぇ鐖嗙偢鐨勯偅涓�鍒诲幓瀵绘壘绛旀浜嗐��        鎴戜滑鍦ㄥお绌虹┖闂寸珯鐨勯珮搴︿刊鐬板湴鐞冿紝涓嬮潰鏄敋钃濊壊鐨勬捣娲嬨�傛垜浠�绘劅瑙夋捣娲嬪緢骞抽潤锛屽氨鍍忎釜鍏夋粦鐨勭幓鐠冪悆涓�鏍凤紝浣嗘槸绛夋垜浠笅闄嶅埌椋炴満鑸彮鐨勯珮搴︼紝宸茬粡鍙互鐪嬭娉㈠厜绮肩布鐨勬捣闈笂娉㈡氮璧蜂紡浜嗐�傚啀绂诲緱杩戜簡缁嗚妭灏卞彲浠ョ湅寰楁洿鍔犳竻妤氾紝娴烽潰鎬讳綋鏉ヨ杩樻槸寰堝钩闈欑殑锛屼絾鏄繘涓�姝ヤ笅闄嶉珮搴︼紝鍒颁簡娴峰钩闈㈤檮杩戯紝閭ｄ箞灏变笌杩滅湅瀹屽叏涓嶆槸涓�鐮佷簨銆傛垜浠彲浠ョ湅鍒颁竴涓ぇ娴墦鏉ワ紝婧呰捣鏃犳暟鐨勬按鑺变笌娉℃搏銆傚湪鐪熺┖閲忓瓙璧蜂紡鐨勫眰闈笂涔熸槸涓�鏍风殑锛屼粠瀹忚涓婄湅锛岀湡绌烘槸骞抽潤鐨勶紝浣嗗湪寰灏哄害涓婃煇涓�鐬棿鍐呭苟涓嶅钩闈欍�傛椂绌烘湁璧蜂紡锛屽挨鍏舵槸鍦ㄥ畤瀹欒癁鐢熺殑鏃╂湡锛岄偅鏃跺�欏畤瀹欑殑灏哄鍏跺疄寰堝皬寰堝皬锛岄噺瀛愭晥搴斿氨鍍忔粩澶╃殑宸ㄦ氮锛屼細浣挎椂绌烘壄鏇叉垚鍚勭鍚勬牱澶嶆潅鐨勭粨鏋勶紝婧呰捣鏉ョ殑娴姳娉℃搏锛屽氨褰㈡垚浜嗗ぇ澶у皬灏忕殑瀛愬畤瀹欏拰瀛欏畤瀹欍�傛湁浜涙湁铏礊鐩歌繛锛屾湁鐨勪笉鐩歌繛锛岀湅涓婂幓灏卞儚鏄椂绌洪暱浜嗕竴涓蹭覆鐨勭槫瀛愩�傞偅鏃跺�欏緢寰皬鐨勭粨鏋勶紝闅忕潃鏃剁┖鐨勮啫鑳�锛屽埌鐜板湪涓烘涔熶細鍙樺緱闈炲父宸ㄥぇ銆傚亣濡傝兘鍙戠幇閭ｆ椂鍊欐畫鐣欎笅鏉ョ殑铏礊锛屽氨璧跺揩瑕佹壘鍒拌冻澶熺殑璐熻兘鐗╄川鎾戜綇瀹冿紝鍗冧竾鍒瀹冨浜嗭紝鎴栬杩樿兘绋冲畾鐣欏瓨浠ヤ緵鐮旂┒銆�        鎴戜滑鐜板湪骞朵笉鑳界洿鎺ョ煡閬撳ぇ鐖嗙偢鐨勫鐐规槸浠�涔堟牱瀛愶紝鍥犱负鐗╃悊瀛︽硶鍒欏埌姝や负姝紝浣嗘槸澶х垎鐐稿紑濮嬪悗鐨勯偅涓�鐬棿锛屾垜浠槸鍙互鎺ㄦ祴鍑烘潵鐨勩�傞偅鏃跺�欐贩娌屽垵寮�锛屽彲浠ュ綋鍋氱悊鎯崇殑姘斾綋鍘昏繘琛岃绠楋紝鍥犱负閭ｆ椂鍊欏緢鍗曠函锛屼竴鍒囬兘娌℃湁鍒嗗寲鍑烘潵銆傝鎴戜滑濂藉ソ姊崇悊涓�涓嬶紝閭ｆ椂鍊欓兘鍙戠敓浜嗕粈涔堬細1锛庡ぇ鐖嗙偢10 -43 绉掞細绾︽憚姘�10 32 搴︼紝瀹囧畽浠庨噺瀛愭定钀借儗鏅腑鍑虹幇銆�2锛庡ぇ鐖嗙偢10 -35 绉掞細绾︽憚姘�10 27 搴︼紝澶稿厠銆佺幓鑹插瓙銆佽交瀛愬舰鎴愩��3锛庡ぇ鐖嗙偢5 -10 绉掞細绾︽憚姘�10 15 搴︼紝璐ㄥ瓙鍜屼腑瀛愬舰鎴愩��4锛庡ぇ鐖嗙偢鍚�0.01绉掞細绾︽憚姘�1000浜垮害锛屽厜瀛愩�佺數瀛愩�佷腑寰瓙涓轰富锛岃川瀛愪腑瀛愪粎鍗�10浜垮垎涔嬩竴锛岀儹骞宠　鎬侊紝浣撶郴鎬ュ墽鑶ㄨ儉锛屾俯搴﹀拰瀵嗗害涓嶆柇涓嬮檷銆�5锛�0.1绉掑悗锛氱害鎽勬皬300浜垮害锛屼腑瀛愯川瀛愭瘮浠�1.0涓嬮檷鍒�0.61銆�6锛�1绉掑悗锛氱害鎽勬皬100浜垮害锛屼腑寰瓙鍚戝閫冮�革紝姝ｈ礋鐢靛瓙婀伃鍙嶅簲鍑虹幇锛屾牳鍔涘皻涓嶈冻鏉熺細涓瓙鍜岃川瀛愩��7锛庡ぇ鐖嗙偢鍚�3鍒嗛挓宸﹀彸锛屽ぇ绾︽憚姘�10浜垮害銆傛牳鍚堟垚鏃朵唬銆備冀鑾か浠栦滑涔熸槸鎹鎺ㄧ畻鍑轰簡姘㈡唉涔嬫瘮涓轰粈涔堟槸浠婂ぉ杩欎釜鏍峰瓙銆�8锛�38涓囧勾涔嬪悗锛屽畤瀹欏彉寰椾腑鎬ч�忔槑锛屽厜瀛愮粓浜庡彲浠ヨ嚜鐢辫嚜鍦ㄥ湴椋炵繑銆�         闅忕潃鏃堕棿鐨勬帹绉伙紝瀹囧畽鐨勮啫鑳�锛屾椂鑷充粖鏃ワ紝绗竴缂曞厜鐨勬尝闀垮凡缁忔媺寰楀緢闀匡紝棰戠巼闄嶄綆鍒颁簡寰尝娉㈡锛岃褰綈浜氭柉鍜屽▉灏旈�婃剰澶栧湴鍙戠幇锛屽ぇ鐖嗙偢瀹囧畽瀛︽湁浜嗕竴涓潥鍥虹殑瑙傛祴璇佹嵁銆傝秺鏉ヨ秺澶氱殑浜哄紑濮嬬敤澶уぉ绾挎帴鍙楀畤瀹欏彂鍑虹殑淇″彿锛屼絾鏄夯鐑﹀張鎽嗗湪浜嗙瀛﹀鐨勯潰鍓嶏細寰尝鑳屾櫙杈愬皠浼间箮澶潎鍖�浜嗐�傚亣濡傜湡鐨勮繖涔堝潎鍖�鐨勮瘽锛屼竴鍒囬兘澶勪簬骞宠　鐘舵�侊紝鐗╄川灏变笉浼氳仛闆嗘垚鍥紝鑷劧涔熷氨涓嶄細鏈夊ぉ浣撹癁鐢燂紝涔熷緢闅捐В閲婁负浠�涔堜細鏈夊浠婄殑鏃ユ湀鏄熻景銆�         鍦伴潰涓婄殑瑙傛祴濮嬬粓鍙楀埌澶ф皵鐨勫奖鍝嶏紝鍋忓阀瀵瑰井娉㈣儗鏅緪灏勭殑瑙傛祴鍙堣姹傞潪甯哥簿纭�傜瀛﹀浠垂鍔插湴鎶婄瀛︿华鍣ㄨ杩涢珮绌烘皵鐞冮噷闈紝鍚婂埌楂樼┖鍘昏繘琛岃娴嬶紝浣嗘槸缁撴灉閮戒笉澶悊鎯炽�傛皵鐞冧笉鑳介暱鏃堕棿鐣欏瓨锛岄寰楀啀楂樹篃杩樻槸鍦ㄥぇ姘斿眰閲屻�傜悊鎯崇殑鐜鏄湪澶┖涔嬩腑锛屽彂灏勬帰娴嬪崼鏄熸槸鏈�鍚堥�傜殑鏂规銆�1974骞达紝褰撴椂鐨勭編鍥藉浗瀹惰埅绌鸿埅澶╁眬锛圢ASA锛夊叕甯冧簡涓�涓鍒掞紝鍙互璁╁ぉ鏂囧瀹朵滑鎻愬嚭鍚勭鎺㈡祴鍣ㄦ柟妗堛�傛湁涓�鐧惧涓柟妗堣鎻愪氦锛屽叾涓湁涓変釜鏄湁鍏冲井娉㈣儗鏅緪灏勬帰娴嬬殑鏂规銆�1976骞达紝NASA鎻愬嚭锛岃繖涓変釜妗堣兘涓嶈兘鍚堝苟涓�涓嬨�傜粡杩囦竴鐣姫鍔涳紝鏂规涓�骞村氨鎷垮嚭鏉ヤ簡锛岀О涓哄畤瀹欒儗鏅帰娴嬭�咃紙COBE锛夋柟妗堬紝浣嗘槸鐪熸寮�宸ュ缓閫犺繖棰桟OBE鍗槦鎷栧埌浜�1981骞淬�傝繖涓�椤圭洰鏈変袱涓富瑕佺殑璐熻矗浜猴細椹憻鍜屾柉绌嗙壒銆傛湰鏉ユ帓鐫�闃熷簲璇ユ槸1988骞村彂灏勶紝浣嗘槸纰颁笂浜�1986骞存寫鎴樿�呭彿鑸ぉ椋炴満鐖嗙偢锛屼竴鍒囬兘琚�借涓嬫潵锛�1989骞村勾搴曟墠鐢卞痉灏斿杩愯浇鐏鍙戝皠鍗囩┖銆�        涓婂ぉ鍚庣殑COBE涓嶄箙渚挎祴閲忓緱鍒颁簡瀹岀編鐨勯粦浣撹緪灏勫厜璋憋紝瀹冪殑娉㈤暱瀵瑰簲浜�2.7K銆�1992骞达紝COBE鍗槦缁堜簬棣栨鎺㈡祴鍒颁簡寰尝鑳屾櫙杈愬皠娓╁害鐨勬俯搴﹁捣浼忥紝杩欐槸涓�椤瑰垝鏃朵唬鐨勫彂鐜帮紝鍥犱负瑕佸湪澶╃┖鑳屾櫙涓帓闄ゅ叾浠栫殑鍣０鏉ュ鎵惧崄涓囧垎涔嬪嚑鐨勫井灏忔俯搴﹁捣浼忥紝瑙傛祴鏈韩涔熸槸涓�椤硅壈宸ㄧ殑浠诲姟銆侰OBE鍗槦鐪嬪緱涓嶇畻鏄お娓呮锛屽垎杈ㄧ巼骞朵笉楂橈紝浣嗘槸浜嬫儏鎬荤畻鏈変簡鐪夌洰锛屽井娉㈣儗鏅緪灏勯噷闈㈢殑纭湁寰皬鐨勮捣浼忋�傜湅鏉ュ畤瀹欏苟闈炵粷瀵瑰潎鍖�锛屽洜鑰屽鑷翠簡灏樺焹姘斾綋鍙互鍦ㄥ眬閮ㄦ墦鐮村钩琛″湴涓嶆柇鑱氶泦锛岃秺鏉ヨ秺澶э紝鐩村埌鏈�鍚庡舰鎴愬ぉ浣擄紝褰㈡垚鏄熺郴銆傚彲鏄紝杩欎簺寰皬鐨勮捣浼忔槸鎬庝箞浜х敓鐨勫憿锛熺瀛︿粠鏉ュ氨鏄寜涓嬭懌鑺﹁捣鏉ョ摙锛屼竴涓棶棰樻帴鐫�涓�涓棶棰樺嚭鐜般��         楹荤渷鐞嗗伐瀛﹂櫌锛圡IT锛夌殑绉戝瀹堕樋鍏奥峰彜鏂彁鍑猴紝寰堝彲鑳藉畤瀹欏ぇ鐖嗙偢涔嬪悗鐨勪竴鐬棿锛屾椂绌哄湪涓嶅埌10 -34 绉掔殑鏃堕棿閲岃繀閫熻啫鑳�浜�10 78 鍊嶃�傞噺瀛愭晥搴斿井灏忕殑涓嶅潎鍖�鎬э紝鍙互鍦ㄨ繖涓繃绋嬩腑琚斁澶э紝鎴戜滑搴旇鑳藉湪寰尝鑳屾櫙杈愬皠閲屾壘鍒扮棔杩广�傚彧鏈夎幏鍙栦簡鏇村姞绮剧‘鐨勬暟鎹紝鎵嶈兘杩涗竴姝ョ爺绌讹紝杩欓渶瑕佸彂灏勬洿鍔犵簿瀵嗙殑鎺㈡祴鍣ㄥ幓澶┖銆備竴涓嶅仛浜屼笉浼戯紝瓒佺儹鎵撻搧锛屼簬鏄疌OBE鍗槦鐨勬帴鐝汉鈥斺�斿▉灏旈噾妫悇鍚戝紓鎬ф帰娴嬪櫒鍗囩┖浜嗭紝杩欐槸浠ユ棭鏈熺爺绌跺井娉㈣儗鏅緪灏勭殑绉戝瀹跺▉灏旈噾妫殑鍚嶅瓧鍛藉悕鐨勩�傝繖涓帰娴嬪櫒鍙堜細甯︽潵鎬庢牱鐨勬儕鍠滃憿锛熶笖鍚笅鍥炲垎瑙ｂ�︹��...

返回柔软的宇宙：相对论外传 第15章 黑洞不黑         在二十世纪的六十年代，科学家们又解算出了好多个黑洞的模型，黑洞家族不只是一个史瓦西黑洞了。就在史瓦西解算出第一个黑洞模型后不久，第二个黑洞模型RN黑洞也被解算出来，这是一个带电的史瓦西黑洞模型，这个黑洞当时并没有引起人们的重视。在二十世纪六十年代之前，黑洞普遍都没有引起重视，但是现在这个RN黑洞就给大家出了个难题，那就是裸奇点问题。        火箭靠近黑洞被潮汐力拉长，同时产生引力红移让我们先来回顾一下最简单不过的史瓦西黑洞，这也是现在科普书籍上讲述最多的一个黑洞了。通常的描述是这样的：你是观察者A，开着飞船飞过黑洞，另外一个观察者B，在远方看着你；你勇敢地驾驶飞船向着黑洞开过去，随着你慢慢接近黑洞那黑乎乎的视界，因为超大的质量使得时空弯曲了，你的动作在远方的观察者B看起来显得越来越慢；你自己当然没感觉到异样，慢慢地，远方的观察者B发现，你的颜色越来越红了；这是因为大质量天体附近，时间会变慢，光的频率降低，颜色就会变红，你的动作也变成了慢镜头一般，一切都很缓慢；渐渐地你的身影看不见了，然而拿红外光摄像机来一看，还能看到你的图像，因为光的频率已经降到了红外波段。再过一会，红外光也看不到了，拿个天线对着你的方向，好像能收到微波；你身上发出的光线，已经降低到了无线电频段，最后就啥也收不到了，光子的能量取决于频率，频率降低到0，我们就接受不到任何能量了。外部观察者B看到的你与你自己的感受并不是一回事。       你靠近黑洞的视界表面的时候，周围看到的一切都会扭曲假如你站在视界表面之上，贴着视界表面发射一束光，这一束光会弯曲，沿着表面转一圈转回原点。所以说，黑洞表面是一个分界线，在这里光都逃不出去你眼力好的话，可以直接看到自己的后脑勺，后脑勺出发的光，绕着黑洞转了一圈来到你的眼前被你看到。你也可想而知，周围的景物又会扭曲成什么样子。        你穿越了黑洞的视界面，并没有啥特别的感觉。你会感觉眼前的景象更加扭曲，一个超大黑洞，并不会有那么大的潮汐力，你不会立刻被拉成面条。要是一个恒星级别的黑洞，你不到视界边缘就已经被扯碎了。超大黑洞反而比小黑洞温柔得多。但是，研究量子的物理学家们就比较黑心了，他们说视界面后面有一道火墙，你会烧得渣都不剩。相对论物理学家就善良多了，但也不过就是让你多活一会儿而已。                                        图15-3　史瓦西黑洞       在史瓦西黑洞（图15-3）里，时空已然倒置了。我们在正常的时空里面，你压根看不见时间轴，但是在黑洞里面，观察者A到奇点的连线，就是时间轴。时间不停流逝永不回头，空间变成了一层层的膜，组成洋葱一样的结构，我们称之为“单向膜区”。既然如此，你就无可避免地向奇点飞过去，逐渐被拉成面条。因为奇点附近时空起伏，可能在拉成面条的过程中还扭了几扭，最后，你已经变成了扭曲时空的一部分，为黑洞贡献了一份质量。或许，你应该盼望着物理法则失效，可能还有生路？也许吧！反正外部观察者B是再也不会见到你了，开个追悼会还是有必要的，你将永远活在我们心中。这就是你掉进史瓦西黑洞以后的情景，对于外部观察者来讲，你很悲催地消失了。史瓦西黑洞仅有一个参数，那就是质量，它既不旋转也不带电。可是RN黑洞那就不一样了，这家伙居然有两层视界面：一个叫外视界面，一个叫内视界面。你要是掉进了RN黑洞，那么外界的观察者B看不到啥差别，反正给你默哀就是了。你进去了，你也很绝望，但是向里飞了一段时间，你又觉得不对劲了。此时你已经穿过内视界面来到黑洞的最里面，这个RN黑洞（和史瓦西黑洞不同，RN黑洞的内部有一个正常的时空，外边是单向膜区，里面核心部分是正常的时空。你要是带的燃料足够，多带干粮多带水的话，或许一时半会儿还死不了，但是你也就别想着能出去了。你不想活了，一头撞向奇点，但是你会发现，一股斥力推着你，死活不让你靠近，想撞也撞不上去过一会你发现事情不对劲了，时间似乎循环了。简而言之，你走了一个“闭合类时线”。        假如我们在宇宙中飘荡，只是受到引力的作用，那么我们在四维时空里画出来的就是一根漂亮的测地线。这个测地线的概念，我们在以前讲述过：我们这种静态质量大于0的物体，速度超不过光速，我们画出来的测地线，简称叫“类时线”。“闭合类时线”的含义就很值得玩味。打个比方吧，你早上八点钟从家里出发，上午十点钟先到了张庄，然后往下一站李庄进发。下午十四点来到了李庄，然后再往下一站马家河子进发。下午十六点，来到了马家河子。你并没有走回头路，继续向前进发，你会发现你居然走回了原来的出发点——自己家里。不但空间上回到了原来的出发点，时间上也回到了出点——今天早上八点钟。你在四维时空里面走了一条闭合曲线。        四维时空出现闭合曲线，一切因果律都完蛋了，因为分不出时间的先后，谁是因谁是果也就分不清了。你从家里出门的时候带着个鸡蛋，走到马家河子的时候不小心打碎了，可是你继续向前走却莫名其妙的走回了早上八点钟的出发点——你家，矛盾就出现了：早上八点钟的时候，这个鸡蛋还没有打破，后来在路上你不小心打破了鸡蛋，现在又回到了早上八点钟的家里，鸡蛋是破的还是完好的呢？逻辑已经出问题了。裸奇点附近就存在这样的“闭合类时线”，也就是那个哥德尔相应爱因斯坦号召投身相对论计算以后整出来的奇葩玩意。因果律要是完蛋，那么物理学法则也就不存在了。彭罗斯在解释这一现象的时候，把心一狠，下了一个断言，他说：RN黑洞内部似乎会有那么一个正常时空的空腔，但是不稳定，很可能就塌了。说到底，就是为消灭这个闭合类时线，坚决不能让它出现。      RN黑洞为什么内部会有个空腔呢？因为RN黑洞是带电的黑洞，电荷与质量的比值越大，那么空腔就越大，到达一定程度，内外两层视界面就贴在一起了。单向膜区厚度为0，这种黑洞被称为极端黑洞，要是荷质比再大。单向膜区就不存在了，内外两层视界面就消失了，奇点就彻底裸露出来了。天哪！包在黑洞里面，我们还可以眼不见心不烦。现在明目张胆跑出来还了得！于是彭罗斯又下了个断言：必定有条物理学定律是会防止裸奇点跑出来的，这就是“宇宙监督者假设”，可能就是热力学第三定律。        到了六十年代，又有一种黑洞类型被计算出来，这就是克尔黑洞。克尔黑洞是个旋转的黑洞，当然是以计算者的名字来命名的。静态的史瓦西黑洞和带电的RN黑洞都很早就被算出来了，然而旋转黑洞却难了物理学家们几十年，克尔能搞定这个计算是非常不容易的。有一次在天文学家、天体物理学家和理论物理学家们的交流活动上，克尔讲解了他的计算，底下睡倒一大片，还有不少人离席走掉了。剩下一堆人在交头接耳小声聊着其他事情，说白了，他们也听不懂。一个礼拜下来，每天早上开会，后半夜才结束，铁人也受不了啊。相对论的权威一致盛赞克尔的工作很杰出，他们搞了三十年也没搞定，现在终于被克尔搞定了。到后来，那些走掉的天文学家不得不恶补克尔的计算过程，因为他们发现了星系中心的巨大喷流。        在克尔的基础上可以计算旋转带电黑洞了，科学家们三下五除二就计算出来一个旋转带电的黑洞，叫做克尔-纽曼黑洞。这两个黑洞大同小异，我们就来讲讲这种旋转的黑洞有啥神奇。首先，旋转的黑洞是个扁球，不是圆的，因为一旋转，赤道就鼓起来了。第二是无限红移面跟外视界分离了，无限红移面在赤道鼓出去一块。第三是内部有个沙漏状的内无限红移面，里面是正常时空，内外两个视界面之间是单向膜区，这个沙漏的喉部有个奇环，而不是奇点。在无限红移面和外视界面之间，有个非常神奇的能层，为什么叫能层呢？这还是彭罗斯的发现。我们先来看看你进了能层以后，会发生什么现象。假如你开着飞船飞进去，我们大家在外边拿望远镜看着你，你对准无限红移面飞过去，我们只感到你的颜色越来越红，最后越来越暗，最后看不到你了。无限红移面嘛，光波的波长会趋向无限大，频率为0，光子已经没了能量，我们也看不到了。        你进去了以后也没打算能够活着回来，事情不凑巧，你的飞船出问题了，有一大块零件掉了下来，掉进了黑洞，这时候你感到一股强大的动力把你从能层里面给踢出来了。我们大家还在外面为你祈祷呢，就见你的飞船一溜烟地弹出了能层，飞离了黑洞范围，居然比飞进去的时候速度还快。外边的吃瓜群众齐声惊呼：“哇！又升仙啦！”你怎么会被扔出来呢？这个问题还要彭罗斯来搞定。彭罗斯首先提出了一个“彭罗斯过程”，需要理解一个概念叫“负能通道”，我们此处描述的“负能量”，并非是指人的消极情绪，而是物理学上真实的“负能量”。平常扔出一个球，这个球是具有动能的，不管你怎么扔这个球，这个球拥有的能量总是正的，中学物理课就学过了，动能是1/2mv 2 ，就因为这个平方，能量总是正的。        但是在克尔黑洞的能层里就不是这么回事了，因为空间本身被黑洞拖拽着高速旋转，在这种扭曲的时空里面，存在着特殊轨迹，只要你按照这个迹扔砖头，这个砖头的动能居然是负的！按照本宇宙的基本规则——“出来混总是要还的”，能量守恒定律总是一定要遵守。一个物体分裂成两半，一半带有负能量，另一半必定能量增加，加起来总能量才会守恒，飞船掉进克尔黑洞的能层会被弹出来，道理就是如此。一个带着负能量的碎块，掉进了黑洞里面，整个黑洞的转动动能就减小了，但是黑洞也不算亏本啊，一大块物质掉进了它的肚子里，质量增加了。这就有点类似于互联网经济链：羊毛出在猪身上，最后由狗来埋单。所以无限红移面和视界面的夹层叫做能层，这里面有能量可以提取出来，如果能量全都提取光了，克尔黑洞将退化成一个标准的史瓦西黑洞。但是这个能层也不是可以无限提取的，大概提取个三成就不错了。        如果你没有及时扔出个碎块，那么你肯定会掉进克尔黑洞的视界里，然后一如既往进入单向膜区。反正钻黑洞，你也不是一回两回了，单向膜区也已经是轻车熟路，不被拉成面条就是万幸，至于拉成兰州风格的还是意大利风格的，要看黑洞内部的稳定性。穿过单向膜区，通过内视界面、内无限红移面，一直到了奇环跟前。这里面是正常的闵可夫斯基时空，人可以存活，你发现这个奇环很有趣，迫不及待想钻过去试试。结果发现，就像机器猫的任意门一样，正面进去，并没有从背面出来，而是被传送到了另一个宇宙，这个宇宙是以斥力为特征的非常奇怪的宇宙。当然了，黑洞内部的空间拓扑结构是非常混乱的，你千万别指望着能在里面看到这一切稳定地存在下去，见到奇环还是千万别乱钻，万一不稳定，通道被掐死，你就危险了。物理学家们的词儿听起来学术味十足，称作“法矢量倒在表面上”，说白了就是你回不来了。       鉴于黑洞内部太过凶险，所以还是不要进去的好。能层并不属于黑洞内部，偶尔去玩耍一趟也还凑合。彭罗斯过程一被提出，立刻有人跟进，他们发现，飞船会被弹出来，那么粒子束行不行呢？要是一束光行不行呢？后来发现也可以，朝着能层射进去的一束波，结果射出来的比射进去的还强，好像有个放大器一样，这个现象叫做“米斯纳超辐射”。顾名思义，这是一个叫做米斯纳的美国科学家提出的，他跟惠勒还一起合作过论文。这个研究方向又提供了一个刷论文的好题材，你针对光子做个论文，那好，我挑选一个别的什么粒子再写一篇，一群人扑进去，什么粒子都被拿出来研究一下超辐射的问题。通过超辐射，的确是可以把克尔黑洞的能量不断地提取出来。后来，斯塔鲁宾斯基和安鲁又有了新发现：即便你不去惹它，这个克尔黑洞自己也不老实，也会自发地辐射出粒子，过去认为黑洞是一颗死亡的星，现在看，起码克尔黑洞还会活动，还会变化，就好比是个僵尸，说是死了，其实还在蹦跶克尔黑洞算是“僵尸”，那史瓦西黑洞呢？到二十世纪七十年代之前，大家仍然认为史瓦西黑洞属于真的死透了的天体。但是，理论物理是个常常刷新人类三观的领域，突然一个爆炸性消息传来，史瓦西黑洞“诈尸”了！        这事是谁干的呢？他就是科学史上的大明星之一——霍金。霍金那时候身体已经全部瘫痪，身体能动的部分只剩下手指，但是他的天才依然在闪烁着光芒。凭此成果，霍金一举奠定了自己的江湖地位。通过黑洞的“三毛定理”，人们似乎搞清楚了黑洞到底是个什么玩意，这前后花了十几年的时间。黑洞不就是那么一个光都跑不出来的东西嘛！科学家们也都约定俗成，从来没人想过给黑洞下个定义，黑洞到底是什么呢？大部分人都没觉得这是个问题，然而霍金对此可没有放过。原来对黑洞的描述太依赖于观察者，这样的定义，并不有利于计算。于是霍金提了个新的定义：他认为一块区域，如果其中发生的事件永远与无穷远处无法发生因果联系，那么这块区域就是黑洞。黑洞的表面，就是事件的边界，里面发生什么，外界都别想知道，因此史瓦西半径球面，也就称为“事件视界”。        霍金据此推算出了一个“面积定理”。黑洞“视界事件”的表面积只增加不减少，比如两个黑洞要是合并的话，那是没有问题的，因为总表面积会增大，但是一个黑洞一定没有办法拆成两个独立的黑洞，因为总表面积会比原来小。总之，黑洞表面积是只增不减的。        1972年，在阿尔卑斯山的一个研讨班里，一帮物理学家在一起研究问题，惠勒的学生，霍金的好朋友基普索恩也参加了。他后来回忆，他在和别讨论的问题是假如黑洞吸收了大量气体，这些气体是否会激发很强的x射线。还有人在讨论旋转的黑洞遇到微扰是不是稳定的问题。巴丁、卡特和霍金在一起讨论黑洞定律。       他们三个很快就有了成果，提出了四个定律：1．第零定理：黑洞的表面引力是常数（黑洞表面引力，处处相等）；2．第一定律：稳态轴对称黑洞满足dM＝k/8π dA＋ΩdJ＋VdQ（自然单位制）其中，M，k，A，Ω，J，V，Q分别为质量（能量），表面引力，表面积，转动角速度，角动量，表面静电势，电荷；3．第二定律：黑洞的表面积只增加不减少；4．第三定律：不可能通过有限次操作，把黑洞的表面引力降成0；当时已经有不少人开始疑惑，这四个定理看着特别眼熟啊，跟热力学定律简直是一个模子刻出来的。热力学定律是这么描述的：1．第零定律：若两系统分别与一系统处于热平衡态，则这两个系统之间处于热平衡态（热平衡以后，温度处处相等）；2．第一定律：能量守恒定律；3．第二定律：熵增定律，绝热系的熵只增不减；4．第三定律：不可能通过有限次操作把一个物体的温度降到绝对0度。        这简直太像了！黑洞这个表面引力，假如跟热力学公式对比的话，很像是温度啊。普林斯顿的贝肯斯坦就坐不住了，那时候他只有二十来岁，锐气正盛。他发觉，物理学的过程一般都是可逆的，不可逆的过程只有一个熵。根据热力学第二定律，绝热系里面的总熵只增加不减少，不论过程究竟发生什么，一杯热水，慢慢地变冷，其实是热量从水里流向了周围的空气，热量扩散了，扩散以后，总的熵是增加的。贝肯斯坦怀疑，这个黑洞的表面积跟熵是有关系的，他就跟他的导师惠勒讨论这个问题，惠勒也很支持他的想法。惠勒启发自己的学生，一杯很热的开水，扔进黑洞里面，啥都没了，整个宇宙里，平白无故的，这一杯水所含的熵没了，总熵不就减少了吗？这不是违反热力学第二定律的吗？贝肯斯坦说对啊！这不可能的。虽然那杯开水的熵没了，但是黑洞因为吃了这杯热水，表面积增加了。假如黑洞的表面积就是熵，那么这一切就都说得通了。整个宇宙的熵，并没有减少，一杯热水的熵，换来了黑洞的表面积增加。        当然，贝肯斯坦也不会直截了当地用类比的办法推导，还是选择了通过量子效应来计算。他的论文一发表，大多数科学家是不支持的，只有老师惠勒支持。不得不说，这师徒俩的胆子的确很大，你想啊！敢往别人椅子腿上绑鞭炮的老顽童，怎么可能是安分守己的省油灯呢？霍金认为贝肯斯坦的想法是有问题的，把黑洞定理和热力学定律类比的话会出现麻烦。黑洞什么东西都吸，那么应该是个绝对零度的玩意，熵会无限大。假如拿个小盒子装一个光子慢慢放到黑洞表面上，然后打开盒子光子飞进黑洞，光子发生无限红移，频率降低为0，能量也为0。按理说黑洞什么都没吃到，表面积不增加。另外一方面，光子包含的信息可是跑进去了，这怎么算啊？信息与熵可是相关的，这样会出现矛盾。霍金他们几个人组队写论文反驳了贝肯斯坦的想法，霍金认为，黑洞定理和热力学定律只是长得相似，实质上不是一回事。        研究相对论的时候考虑量子效应的，贝肯斯坦并不是第一个，很多人都在想法子统一量子力学和广义相对论。爱因斯坦后半辈子都在寻找统一场理论，但是没有什么结果，毕竟微观世界的游戏规则与宏观宇宙相差太远。但是在具体计算的时候，考虑一下某些量子效应还是可以做到，至于如何结合，家家都有自己的办法。霍金跟苏联人交流了一下，斯塔鲁宾斯基和泽尔多维奇正在研究旋转黑洞的自发辐射，霍金觉得苏联人还是做得粗糙了一点，他可以做得比苏联人更好。当时的剑桥已经成了一个黑洞研究的中心，霍金他们使用的工具叫做“弯曲时空量子场论”。既然引力场没有办法量子化，与量子力学彻底融合，那么退而求其次，把弯曲时空和量子结合起来进行计算。万有引力无法量子化，那么继续按照弯曲时空去进行处理，不考虑量子引力效应，也不考虑量子场对弯曲时空的影响。所以这个学科现在不太热门，现在大家偏爱那种能够大一统的理论，比如“弦理论”。但是在二十世纪七十年代，弯曲时空量子场论在霍金他们一干人等的手里放出了异样的光彩。         霍金发现贝肯斯坦是对的，他以前的认识有错误。黑洞的确与热力学有关系，黑洞有温度，会发出辐射，即便是过去认为死透了的史瓦西黑洞也照样会发出辐射，我们可以说：史瓦西黑洞一直在“诈尸”。论文一发表，物理学界立刻震动，霍金的江湖地位由此奠定。夏玛老师看过以后，他评价：霍金凭此成就，足可以成为二十世纪最伟大的理论物理学家之一。霍金已经进入了顶尖人物的行列，况且他还是在病情日益加重的情况下达到这些成的。        霍金认为，旋转黑洞会不断地辐射出各种粒子，能层会不断地瘪下去，最后完全退化成一个史瓦西黑洞。史瓦西黑洞仍然会持续辐射出粒子，逐渐减少质量，最后越来越小。黑洞是个标准的黑体，它发出的辐射是标准的黑体辐射，它的表面积就是熵。那么只吃不吐的黑洞是怎么会发射出辐射的呢？照理说，黑洞内部的任何东西都是出不来的呀！那就要从霍金的师爷狄拉克说起了。        狄拉克提出了一个真空不空的理论。我们以为真空里面空无一物，什么都没有，其实不然，真空是有着剧烈活动的。一对对的虚粒子对不断地产生，然后又迅速相互泯灭。总体看来，一个正粒子，一个反粒子相互抵消等于0。宏观上的确是啥都没有，但是瞬时并非如此，真空是处于沸腾的量子泡沫之中的，在普通的时空里面，正反粒子总是相互抵消。但是到了黑洞的视界附近可就不是这样了，瞬间产生一对虚粒子，一正一反都没掉进黑洞里，那么就相互抵消了，与普通的情况没什么差别，假如一对虚粒子同时掉进去，那我们什么也看不到，就当没这回事。假如负粒子掉进去，正粒子没掉进去，那么负粒子永远也碰不到正粒子了，两者无法互相抵消，成对的平衡状况就打破了。正粒子看上去就像被黑洞辐射出来一样，掉进去那个负粒子，使得黑洞减少了一份能量，总质量下降了。这个过程不断地出现，黑洞也就不断的减肥，最后蒸发干净。        黑洞还有个奇怪的特性，那就是比热为负数。在日常生活中，物体的比热总是正的，吸热以后，温度变高，然后逐渐与环境温度一致，大家进入热平衡状态。黑洞可不是这样，吸热以后，温度反而下降；放热以后，温度上升，越上升辐射越厉害，辐射越厉害，温度就越高，最后恶性循环，一直到炸掉为止。越小的黑洞寿命越短，越大的寿命就越长，要么不断长胖，要么不断地萎缩，稳定不变是不可能的。霍金辐射带给物理学界很大的启示，质量居然与温度有相关，引力居然与热力学有联系，大大出乎物理学家们的预料，而且还透着一丝丝的诡异。黑洞熵居然是与面积成正比，而不是与体积成正比。一些科学家陷入了深深的思考之中，难道时空是二维的？其他维度只是幻象？细细想来，极其恐怖……        先不说“细思极恐”的话，霍金的理论一发表，研究相对论的学者都喜大普奔，研究量子力学的差点哭晕在厕所，因为霍金辐射打破了好多守恒，比如重子数守恒、信息守恒等等，尤其是信息守恒完蛋了！你能想象吗？扔了半天硬币，出现正面的概率和出现反面的概率加起来不等于1。这么一搞，幺正性不就完蛋了。过去虽然也不知道掉进黑洞的那些信息怎么样了，大伙还是可以安慰自己一下，说不定信息以某种形式在黑洞里面藏着呢，这倒好，蒸发没了！信息彻底被抹光了！黑洞辐射是个标准的黑体辐射，你只能知道温度，不带其他任何信息。扔进黑洞的那些信息，完全都消失了，从量子力学角度看来是不可能的！量子理论告诉我们，信息只会被扰乱，不会被消灭，信息总数总是守恒的，哪怕像过去地下党传递情报，一张字条看完以后立刻烧了，那也只是扰乱了信息，信息总数还是守恒的。量子力学整个是建立在信息守恒基础上的，现在信息守恒被黑洞给蒸发给破坏了，搞量子的科学家们能不急眼吗？...

返回柔软的宇宙：相对论外传 第14章 大耳朵的发现      迪克和威尔金森他们几个为啥心头一凉呢？历史上的事总是说来话长，大家别急，容我慢慢道来。1909年意大利的马可尼发明了实用化的无线电通信，到了三十年代，这个无线电通信就成了一个热门产业，热度堪比现在的“互联网＋”。现在流量入口是各种手机APP，那个时代就依靠收音机。英国的BBC就是1922年建立的，丘吉尔常常发表广播讲话。罗斯福的“炉边谈话”也是各大广播公司广播出去的。      广播开始大发展，越洋通信的需求也变得越来越迫切，为了提高效率，定向天线能量集中的优点就被大家青睐。定向天线必须对准方向才能获得最好的通信效果。美国贝尔实验室的央斯基在测试定向天线的时候，收到了一个奇怪的信号，而且这个信号似乎是每二十三小时五十六分钟出现一次。他们感到奇怪，突然有人一拍大腿，这不是恒星日吗！天球转一圈是二十三小时五十六分钟，太阳跟天球略有差异，是二十四小时。他们跑出屋外一看，恍然大悟，原来天线正对着灿烂的银河，这个信号原来是银河中心发出的信号。于是，一门新的学科就诞生了，叫做“射电天文学”。        天文观测不仅要看，而且要听。如果说大型光学望远镜是“眼睛”的话，那么大型的射电望远镜就是“耳朵”。没多久就爆发二次大战了，科学技术在两个领域内有了大发展：一个在核物理领域，原子弹就靠这个。战后，大国都拼命搞原子弹，没有原子弹，你说话是“蚊子叫”，无人理睬，有了原子弹，在国际上说话就是“狮子吼”，人家不能不听。另外一个领域就是无线电技术大发展，英国率先搞出了雷达以及关键器件行波管，行波管以很小的体积就可以搞出极强烈的微波振荡，美国人看到后爱不释手。英国战争期间国力衰竭，不得已，压箱底的宝贝都拿出来给美国人看。无线电/雷达技术的大发展，在战后带动了多项学科的进步，射电天文学也就跟着蓬勃发展，大家都开始建造大天线来接收宇宙的信号。      在二十世纪五十年代到六十年代，新技术层出不穷。随着冷战时代的来临，大家都在比拼综合国力，比谁可以引领时代的发展。科学技术当然是非常好的一个“进度条”，谁高谁低一目了然：苏联火箭拔得头筹，把第一颗人造卫星发射进了太空；美国也不甘落后，开始了雄心勃勃的航天计划，卫星与地面的通信就成了重头戏，航天器测控也离不开雷达与卫星地面站，这些技术都对研究天文学起到了推动作用。1964年，美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊架设了一台喇叭形状的天线，用以接受“回声”卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空方向进行测量。这台天线非常大，人甚至可以钻到天线上的一个小房间去工作，可见这个天线体型之巨。但是，他们发现这个天线始终有“嗞嗞啦啦”的噪音，怎么也去不掉，难道是旁边纽约市造成的杂音信号？他们调整天线对着纽约市方向，没变化，并没有增强，对着天上，也还是一样。      他们觉得这是天线自己的问题，因为噪音的状况不随角度变化，你随便对着哪个方向都一样。他们首先想到，这会不会是天线本身产生的噪音呢？后来他们查来查去，果然发现了有一窝鸽子在天线里面搭了个窝，还生了一窝蛋，拉了一堆鸽子粪。后来他们写论文的时候，没好意思写鸽子粪，写的是鸽子的白色分泌物。这两位工程师一看，这还了得！有暂住证吗？这是欺负美国没城管吗？你们倒是不拿自己当外人啊！那时候保护动物的概念已经深入人心，这一窝鸽子还不能碰！你要强拆人家保护动物的人士不答应。于是赶快找动物保护人员，把这一窝鸽子还有鸽子蛋全都移走。然后他俩彻底把天线打扫了一遍，因为脏东西也会带来噪音。打扫完毕，干干净净的，一开机，噪音又来了，两人差点哭晕在厕所里，这是怎么回事啊？他俩写了一篇论文，发表在《天体物理学报》上，顺便还打电话到了附近的普林斯顿大学。迪克小组接听以后，心立刻就“拔凉拔凉”的，他们要找的东西，被两个一头雾水的工程师发现了，到手的鸭子飞了！不久迪克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文，对这个噪音给出了正确的解释，这就是微波背景辐射，是宇宙诞生之初大爆炸的余热。        彭齐亚斯和威尔逊他们两个人测出来的波长大约7.35厘米，折算成黑体辐射的话，大约是2.73K的温度。大爆炸的余温被测量到了，而且跟当初的预言吻合得非常好，因此大爆炸宇宙学也就成了大家普遍接受的主流学说。彭齐亚斯和威尔逊后来双双获得了诺贝尔物理学奖，其他人只能仰天长叹：运气来了谁都挡不住啊！要是不走运，喝凉水都塞牙。在二十世纪六十年代有四大天文发现：类星体、脉冲星、微波背景辐射、星际有机分子，都与射电天文有关系，但是脉冲星的发现历程也很有戏剧性。       在1967年，天文学家休伊什的女研究生乔瑟琳·贝尔·博内尔突然发现，记录射电信号的纸带上出现了奇怪的脉冲，每一点三秒就出现一次。经过二十世纪四十年代末罗斯威尔事件的渲染，以及后来“小绿人”在社会上疯传，当时的人不免发生联想：如此精确的时间间隔，是不是外星人在向我们发射信号啊？但是大家听了好久，发现这个信号一点儿变化也没有，要想发信息，怎么的也要来个莫尔斯电码滴滴答吧？看来不是外星人的信号。第一个脉冲信号是1967年夏天发现的，到了冬天快过圣诞节的时候，贝尔发现了第二个信号，周期是一点二七四。很快，类似的信号被发现得越来越多，事已至此，人们基本排除了是外星人发信号和我们联系，这应该是一个普遍的天文现象，到底是什么玩意儿能发出这么规律的脉冲呢？                                              图14-3　休伊什和射电望远镜的天线      这种天体被直接了当地称为“脉冲星”。到底是什么原因使这种天体可以如此快如此准的发出脉冲呢？贝尔的导师休伊什（图片14-3）给予了一个解释，那就是这个天体在疯狂地旋转，但是电磁波的发射方向和自转轴不重合，有一定的偏移角度，就像海边的灯塔一样，光柱在旋转扫描，脉冲星在发疯地旋转，强大的射电信号恰好扫过地球，被我们接收到，那么就会出现一个脉冲。每隔一点三秒收到一个脉冲，那就说明这个天体每一点三秒转一圈。这是个难以想象的疯狂速度，要知道地球转一圈是二十四小时，也就是八万六千四百秒啊！后来又发现了毫秒脉冲星，自转周期达到毫秒级。        1974年，因为在脉冲星方面的研究以及射电天文技术上的创新，休伊什和赖尔为此共同获得了诺贝尔物理学奖。休伊什他们用的射电望远镜是赖尔设计的，非常具有独创性，天线长得不像个大锅，倒像个农场。用分布式的一大堆天线（图14-4），来代替一个大锅，这样可以获得更强的观测能力。他俩获奖倒是实至名归，但是，最早发现脉冲信号的女研究生乔瑟琳·贝尔·博内尔则什么也没拿到。很多人都为她鸣不平，不过她还是具备了一个光荣的称号叫做“脉冲星之母”。2006年布拉格天文大会，她是大会主席，那时候的贝尔已经是个年过花甲的老太太了，一头花白的短发，仍显得精神矍铄。她在主席台上一手抱着普鲁托狗玩偶，一边等着统计投票结果，然而最后还是干脆利落地把冥王星开除了行星资格。不得不感叹，岁月是把杀猪刀啊！时间都去哪儿了？时间在永不停歇地流逝着……        大家在惊叹脉冲星高转速之余，又开始疑惑起来：到底是什么样的天体能受得了如此疯转而不散架呢？答案只有一个，那就是当年朗道以及兹威基和巴德预言的中子星。时隔三十多年，终于尘埃落定。中子星的密度高得吓人，质量比太阳大不了几倍，直径却只有12-20千米上下，相当于地球上一座山的尺寸。当然了，中子星上也不全是中子，切开了看，说不定里面是一锅“夸克汤”。有人预言，有夸克星的存在。有那么几个中子星显得比较奇怪，比如RXJ1856，距离地球大约四百光年，测量了一下直径，发现只有十英里，照理说中子星不该这么小，难道是更加致密的夸克星？还有一颗怪星，编号3C58，在1181年亚洲天文学家曾经观察到发生过超新星爆炸，计算一下到现在温度应该是大约三千五百六十万度，可是一测量，大家大跌眼镜，这家伙温度只有一百万度。这家伙怎么冷的这么快啊？假如密度是中子星的五倍的话，倒是可能冷的这么快，难道这也是一颗夸克星？不过到现在并没有什么特别直接的证据。        中子星大概是长得最标准的球体，因为引力大得惊人，自己把自己捏成了近乎完美的对称形状，即便是有起伏的“山脉”，大约也就几厘米高。中子星表面要想承受这些“山脉”的重量，就必须有非常大的强度，表面必须非常硬，大约是钢铁的一百亿倍。科学家们关心中子星不是为了山脉，是为了另外一个东西，叫做“引力波”。有关引力波的话题，我们后文再讲，这也是一个剧情大反转的故事，此处按下不表。总之，超越钱德拉塞卡极限的天体被发现了，钱德拉塞卡也在七十三岁高龄的时候获得了诺贝尔物理学奖。离他当年计算钱德拉塞卡极限，已然过去了几十年。那么，前面还有一个奥本海默极限呢，超越奥本海默极限的天体能不能找到呢？二十世纪六十年代的天文学家们普遍没信心，但是物理学家们倒是信誓旦旦地说存在，他们拍胸脯保证一定是有的。到了二十一世纪的今天倒是来了个大反转，天文学家们都说有，物理学家们倒是狐疑起来：这东西真是黑洞吗？那么它们够不够“黑”啊？  黑洞够不够黑，这的确是个问题！令大家大跌眼镜的是，这个黑洞居然会辐射粒子。让我们回到二十世纪六十年代来回望一下那段脑洞大开的研究史吧！        因为微波背景辐射被找到了，这是很明显的证据。伽莫夫他们提出的大爆炸学说现在已经在风头上压过了稳恒态宇宙模型，但是霍伊尔还是不相信这个理论，一度曾经有所动摇，但他后来又反水了，提出了新的稳恒态模型。不过大家对他的理论已经普遍兴趣不大了，当年那个崇拜他的超级粉丝霍金也已经长大成人。他打算报考霍伊尔的研究生，但是很遗憾，霍伊尔的学生太多，就把霍金调剂给了另外一位老师丹尼斯·夏玛。霍金这孩子很聪明，十七岁考进了牛津大学，还当上了赛艇队的舵手，是个风华正茂，才智出众的年轻人。可是，在牛津的最后一年里，他开始变得笨拙，时常摔跤，人们注意到，这个学生的身体出现了问题。        在考入剑桥大学之后，霍金的身体越来越差，讲话开始含混不清。父母带他去做了检查，他得了“肌萎缩性脊髓侧索硬化症”，俗称“渐冻人”，医生预言他活不过两年。但是，他还是挺过来了，尽管他的生活空间越来越小，身体能活动的部分越来越少，后期他几乎全身都不能动弹，但是这不妨碍他大脑思考那最深邃最遥远的宇宙尽头问题。这就是他的使命，不是吗？还好，他没有成为霍伊尔的研究生，霍伊尔常年在外，在校园内停留的时间都多，很难说会有多大精力去带学生，毕竟人家事务繁忙。夏玛老师则不同，他能实实在在地在学校里面好好培养呵护自己的学生，特别是霍金这样身有残障的年轻人。老师虽然自己还是偏向稳恒态宇宙，但是他鼓励霍金有自己的想法。夏玛是狄拉克的学生，说起来，狄拉克是霍金的师爷，也正拥有着名声最大的教职——剑桥大学卢卡斯数学讲座教授。当初牛顿也担任过这个教职，还是国王亲批的。若干年后，霍金也将担任这个教职，一干就是几年……        在剑桥上学期间，夏玛老师时常带着学生外出听讲座，结识各个领域的专家学者，霍金撑着不便的身体也跟着一起去。有一次碰到儿时的偶像霍伊尔讲学，霍金发现一个错误，不依不饶地大喊：“那个量是发散的！”闹得霍伊尔下不来台。偶像又怎样呢？吾爱吾师，吾更爱真理！        夏玛老师的一大功劳便是把彭罗斯拉来入伙，从数学领域跳过来研究相对论和宇宙学。早在二十世纪五十年代，夏玛老师在餐馆里碰上了彭罗斯，彭罗斯就显示出了非凡的天分。后来彭罗斯和霍金也成了很好的朋友，在夏玛老师的带领下研究广义相对论。彭罗斯比霍金大了十一岁，大约就是李白与杜甫的年龄差距。彭罗斯本行是数学家，在拓扑学领域有很深的功底，他把拓扑学引入了广义相对论的研究。美国的物理学家对拓扑学并不重视，苏联人也不重视。朗道是苏联物理学界的学霸，他的入学考试号称叫“朗道势垒”，难度简直变态，能考进去的都是人尖。但是朗道不考拓扑学，因此另辟蹊径的任务就落到了英国人身上。法国人干什么去了？天知道！        这个拓扑学又是个什么学科呢？大家都玩过七巧板或者拼图吗？从理论上讲，这也算是拓扑学。拓扑学关注位置关系，不关心大小。曾经有个笑话，说有个老板想造一个动物园，这就需要去抓很多动物，然后把动物关在笼子里。这需要一大笔钱，老板就问各位专家，有没有省点钱的办法。大家面面相觑，最后有个拓扑学家发言了，他说不用去抓野生动物，动物已经被抓住了。你想啊，一般的动物园都是动物们关在笼子里，人在外边看，现在我们把空间关系翻转过来：把人放在笼子里，动物放在外边，这不是一样的效果嘛！老板大受启发，于是世界上第一个野生动物园诞生了。果然是把关在笼子里，动物在外边自由自在地溜达。故事当然是当个段子来听，但拓扑学的思维告诉你空间的位置关系是个很深奥的东西，特别是高维空间内的拓扑结构。数学上著名的“莫比乌斯带”和“克莱因瓶”，倒是给人比较直观的感受。        莫比乌斯带（图14-7）是个弯曲的二维面，在三维空间里面反扭了一下。这是一个没有正反面的二维空间，纯粹只有一个面。你拿一支笔来涂颜色的话，可以不抬笔全部涂满。我们假想有一种二维的小人，生活在这种二维空间之内。他就会发现，当他转一圈返回出发点的时候，居然成了原来的镜像，完全颠倒过来了，不过不要紧，他再跑一圈就正过来了。感受到拓扑学的魅力了吧！        克莱因瓶（图14-8）是另外一种情况：这是一个有限无边的面，但是它也只有一个面。因为克莱因瓶是三维的，要想实现只有一个面，必须有第四个维度来帮忙，就如同莫比乌斯带一样。二维空间，要想实现只有一个面，就必须在第三个维度里面反扭一下。我们平时生活在三维空间里，感受不到第四个维度。因此你只能想象一下，克莱因瓶下面那个交叉的地方其实并不交叉，因为，瓶子尾巴是通过另外的维度接上瓶口的，这需要强大的脑补能力，暂时就别瞎想了，拓扑学匪夷所思的地方还多着呢。爱因斯坦的广义相对论在战后已经成为物理学家们必须了解的一门学问，不像战前，了解的人并不多。但是对于奇点，大家意见并不统一，一个质量足够大的恒星真的能够一步步塌缩成为一个点吗？这个点究竟是怎么样的一种存在？那个早在第一次世界大战的战壕里被计算出来的史瓦西解就可以描述一个最简单的黑洞，这个黑洞是个静态球对称而且不旋转不带电的黑洞。不久以后，带电的RN黑洞也被计算出来了。相对来讲，带电的RN黑洞只比史瓦西黑洞复杂了一点儿。到了二十世纪六十年代初，随着对大爆炸以及恒星塌缩过程的研究。奇点问题已经绕不过去了。究竟在塌缩的恒星之中，能不能生成奇点呢？大家众说纷纭。        苏联科学界相对来讲比较封闭。他们与西方的学术交流还是有的，但是显然没那么通畅，甚至名称术语都不统一：西方叫“塌缩星”，苏联叫“冷冻星”，倒是美国的惠勒在一次报告上用了“黑洞”这个词汇。大家都觉得这个词不错，很传神地描述了这一类天体的特征，于是黑洞就成了标准的称呼。惠勒的人生跨度很长，在二十世纪三十年代他与玻尔一起工作过，后来在普林斯顿又与爱因斯坦成为同事。麦卡锡横行之时，泰勒要去非美委员会作证，对奥本海默不利，惠勒连夜苦劝无效，氢弹之父告发了原子弹之父，这是科学史上的悲剧。        惠勒后来一直活到了北京奥运会前夕，是哥本哈根时代仅存的大师。他一辈子培养出不少好学生，比如研究虫洞和引力波的基普·索恩，提出黑洞熵的贝肯斯坦都是他的学生，在后文都会提到他们。彭罗斯进入相对论领域，首先就证明了奇点的问题。彭罗斯用数学证明，奇点必定会出现，特别是黑洞里。这一套数学证明的过程用到了拓扑学，后来霍金把这个结论推广到了宇宙起始的那一刻，宇宙的开端必定有奇点。夏玛老师和彭罗斯以及霍金他们一伙人把剑桥变成了欧洲黑洞研究的老巢。        苏联人对外交流不算多，偶尔也来一趟，哈拉尼科夫做了个报告，栗弗席兹在家坐镇没来。他们认为黑洞里面的奇点并不稳定，在扰动之下可能有问题。当场有人提出了彭罗斯的理论，苏联人大惊失色，他们没听说过有这种理论。更加令人可怕的是他们对拓扑学不熟悉，彭罗斯的玩意看不懂。照理说，苏联人担心也并不是没道理，天体并不是完美的对称形状，同时下落汇聚的时候，能不能准确地同时汇聚到一个点上呢？万一对歪了没打中呢？万一时间对不上，彼此错过了呢？这是很正常的想法。苏联的泽尔多维奇他们一帮子人当年是搞核弹的，原子弹爆炸也遇到了类似问题。核装药是分解成好多块摆在一个球面上，周围全是炸药。炸药要极其精确地同时起爆，各个核装药块在爆炸的推挤下，要在千分之一毫秒的时间里齐刷刷地撞到一起，同时中子源点火，时间上不能彼此错过，空间上不能对歪一丝一毫，核弹才能顺利起爆，做不到就只能放个哑炮。原子弹原理讲起来并不复杂，真要做到那可是千难万难。苏联人把核弹计算上用的思路移植到了黑洞塌缩上。当然了，原子弹去引燃氢弹的过程也是类似的，在黑洞计算上也可以借鉴，泽尔多维奇就是苏联研制氢弹的功臣之一，这种办法很可靠，而且大家也都信得过。好多物理学家怀疑彭罗斯他们，惠勒倒是偏向彭罗斯。要是奇点还要考虑量子效应，那又是一个头两个大。        彭罗斯他们没工夫管这些事情，和霍金几个人开始发展这套分析方法，很快，就成了一个非常厉害的体系。他们提出了新的奇点定理，一帮物理学家不得不恶补拓扑学的知识。这种情形在历史上也不是第一次出现了，当年他们也是恶补微分几何、恶补矩阵，现在开始恶补拓扑学。数学家动动嘴，物理学家跑断腿啊！        后来，索恩和霍金几个人去了苏联，见了见苏联的朋友们，栗弗席兹（图片14-9）倒是痛痛快快地承认了错误。反正栗弗席兹很坦诚，他们用传统方法也算出了一个可以稳定存在的奇点，大家殊途同归。传统方式能算出更加丰富的信息，拓扑学只能告诉你有奇点，却不能告诉你别的。        奇点的问题告一段落，视界面还有问题。天体并不是完全对称的，万一是个歪瓜裂枣的形状，塌缩过程中能不能形成个完美的球形视界面呢？苏联的泽尔多维奇小组得出来的结果是——“天空飘来五个字，那都不是事”，略微有些起伏没关系。在塌缩的过程中，这些不完美的地方会变成引力波辐射出去，最后变成完美的对称形状。苏联人一宣读结论，西方人就感到震惊，看来铁幕那一边的人还是很有实力的。泽尔多维奇是研究核弹出身，后来才转行来折腾黑洞的。计算黑洞的塌缩过程，把氢弹计算上要用到的那些压力、激波、高温、核反应、辐射全都用上了。        夏玛老师经常派学生去参加各种各样的学术会议，有时候是霍金去，有时候是别人。这一次去的是埃利斯，他回来以后两眼放光，讲座上爱尔兰的伊斯雷尔提到他算出来的结果：哪怕天体是方的，塌缩成黑洞也会得到一个完美球对称的形状。电荷与角动量不会变成引力波辐射出去，因此不会被抹平，这两个信息是丢不掉的。黑洞就只剩下三个信息：旋转、电荷、质量。任何一个黑洞，有这三个信息你就能描述了，这是一个非常毁三观的结论。普通人一定会问：吸进去的物质都到哪里去了？其实这不奇怪，我们平时生活里见到的物体总可以获得许多信息，一块蛋糕你可以掂量掂量有多重，也可以咬一口看看软硬，还可以尝尝是甜的还是咸的。      总之，一块蛋糕里包含了非常丰富的信息。我们都是通过这些信息来理解特定事物的，信息越是丰富，我们就越是觉得这个东西实在，相反就不太能接受。气体的信息就少多了，没有形状，也不一定有味道，很可能没有颜色，了解空气只能通过流动时产生的风和气压。面对黑洞，我们很不安，物质掉进黑洞里，我们熟悉的那些信息统统感受不到了。对此，我们的脑子很难接受。大家总是脑补，物质一定囤积在黑洞的内部。人总是违拗不过直觉，可物理偏偏又是反直觉的，大跌眼镜已经是家常便饭了。搞广义相对论的科学家们对此并不在意，奇葩的东西见怪不怪。惠勒充分体现了他为老不尊的一面，他把黑洞信息理论称为“黑洞无毛定理”（这个词在西方含有XXX的意味），物理学家们广泛接受了这个称呼，伊斯雷尔在自己论文中毫不犹豫地就写上了“黑洞无毛定理”。倒是杂志的编辑们受不了了，你们这帮子物理学家为什么都这么“污”！《物理评论》的老编辑们拒绝刊登这种含有污言秽语的文章，但最后还是胳膊拧不过大腿，大批的物理学家用得不亦乐乎，编辑们也不得不接受了这个词。这个词翻成中文倒是看不出什么，有人还称之为“三毛定理”，倒也是蛮贴切的。惠勒一向很顽皮，他七十岁生日的时候，正好参加学术会议。他发现没人记得今日是他的七十大寿，一份礼物都没收到。于是就在别人的椅子腿后面绑了鞭炮，一声轰响，现场乱作一团……...

  返回柔软的宇宙：相对论外传 第13章 核火球        1932年，《自然》杂志上刊登了一篇文章，叫做《中子可能存在》，作者是查德威克。远在法国的约里奥-居里夫妇两口子看到这篇文章，估计会懊恼不已，因为查德威克做的实验，就是他俩以前做过的“石蜡实验”的翻版：用“铍射线”照射石蜡，会从中敲出质子。他俩觉得这是稀松平常的事情，不值得注意，白白放过了一个重要成就。居里家族是个声名显赫的家族，老一代皮埃尔·居里和玛丽·居里是科学界的有名的夫妻诺贝尔奖获得者，他们的女儿依琳和约里奥结婚以后，把两家的姓氏合在一起，姓“约里奥-居里”。居里家族都是实验物理学家，做实验的本事堪称一绝，经常一不留神就触动其他科学家做出重大贡献。查德威克就是受益于约里奥-居里夫妇，一看到约里奥-居里夫妇发表的论文，两眼开始发出异样的光芒。这种中性射线，正是他寻找多时的东西——“中子”。假如原子核是质子组成的，那么为什么正电荷与原子核的质量并不成正比呢？必定是有某种质量和质子不相上下，但是却有不带电的粒子掺和在里面。查德威克在约里奥-居里夫妇实验的基础上更进一步研究，果然发现了中子。查德威克获得了1935年的诺贝尔物理学奖，有人提议应该要捎带上约里奥-居里夫妇，三人分享。评审委员会主席一锤定音，查德威克独享，约里奥-居里夫妇没份儿。同年，约里奥-居里夫妇获得了诺贝尔化学奖，表彰他们在人工放射性元素方面的成就。个中缘由，你懂的。        1934年，在美国工作的兹威基和巴德讨论了超新星爆发的问题。两个人一直对超新星爆发特别感兴趣，他们始终搞不清楚那么大的爆发，能量是从哪里来的？一颗普普通通的恒星，怎么会突然亮到白天都可以看到？公元1054年，中国天文学家就记录到突然出现一颗“客星”，在二十三天的时间里白天可见，之后二十二个月里，夜间还可以看到，然后才隐匿不见了。这是一条非常可信的记录，人类历史上肉眼可见的这种超新星现象，不过才六次而已。正巧查德威克发现了中子，兹维基毫不客气地把中子纳入到了自己的构想之中，他在猜想这一场大爆炸以后，到底会剩下什么。这一年，巴德和兹威基在《物理评论》上发表文章，认为超新星爆发可以将一个普通的恒星转变为中子星，而且指出这个过程可以加速粒子，产生宇宙线。但是，他们并不是第一个想到中子星这个概念的，最先想到的是苏联人。苏联科学界也对中子的研究很关注，伊万年科就提出：原子核是中子和质子构成的。朗道是苏联物理学界的天才，放眼世界，大约只有泡利的气焰比他嚣张。他早就预言：会存在一种天体，由“密度与原子核相当”的物质构成，朗道认为这种物质是可以扛住引力稳定的存在。当时他的想法是很难推销出去的，因为天文界没看见过这种玩意，物理学界也对此不感冒，所以关注的人不多。        朗道声称每个恒星中心都有一个“中心核子”，他把天体想象成大号原子了。朗道设想：天体中心存在着“违反量子力学的病态区域”，可以把质子和电子拧在一起，表现就像是一个粒子。为了扩大宣传效果，朗道扯开嗓门大喊，他这个理论可以解决“恒星塌缩”和“恒星能源”两大问题。现在看来，朗道所说的“密度与原子核相当”的物质就是中子，中子的确可以通过硬把电子压进质子生成出来，但是压力必须大得惊人才行。他所说的恒星内部都有“中心核子”并不靠谱，现在我们发现某些超级“虚胖”的红巨星内部的确可能有个中子星的核，但是太阳大小的恒星显然没这种可能，“违反量子力学的病态区域”显然也是夸张之词，天才的朗道心里也未必不清楚。炒作从来不是网络时代的专利，科学家也是有七情六欲的人，你懂的。况且，苏联的国内形势不妙，自己名气越大，头顶上光环越多，那么自己也就越安全。他的论文寄给了玻尔，希望玻尔推荐投稿给《自然》杂志。玻尔与他心有灵犀，当天就回了信，苏联国内的《消息报》盛赞了朗道的成就，朗道的光环果然多了一层，这能保护他多久？其实也顶不了几年。朗道首先涉及了“中子星”的问题但是当时这并不是大家关注的重点。几十年后，中子星被发现，宇宙中的确存在这么奇怪的天体，朗道的设想得到了证实。当然，历史也不会忘记另外一个人，那就是钱德拉塞卡。七十三岁的钱德拉塞卡终于获得了诺贝尔物理学奖，表彰他在物理学上的贡献。白矮星的确并非是所有恒星的归宿，大于1.44个太阳质量的白矮星根本坚持不住，会继续塌缩下去，一般来讲会变成中子星，中子星正是朗道最先描述和预言的，依靠中子简并力而存在。中子星的密度大得惊人，达到了每立方厘米八千万吨到二十亿吨左右，在宇宙中是密度最大的天体之一，芝麻粒大小的物质，就超过了地球上所有船舶的运输能力，可见密度有多大。        中子简并也不是无限大的，也有扛不住的极限。而中子星的质量上限在哪里呢？这引起了一个美国人的注意，这个年轻人叫奥本海默，他来到欧洲求学，毕竟那时候欧洲的物理学水平高于美国。他一开始找英国剑桥大学卡文迪许实验室的卢瑟福，但是卢瑟福没收他，后来卢瑟福的老师汤姆逊倒是把他收下了。彼时汤姆逊年事已高，而且社会活动极多，还是把奥本海默推给了卢瑟福去带。卢瑟福学生一大堆，照顾不过来，让奥本海默的大师兄布莱克特带着他，布莱克特与奥本海默关系不睦，闹得水火不容。后来奥本海默发现，还是理论物理更适合他，正好可以摆脱烦恼的人际关系。于是他离开英国的剑桥大学，去了德国量子物理的重镇哥廷根大学，拜到玻恩老师的门下。仅仅一年，奥本海默就拿到了博士学位，可见他也是个天才，找对了方向就能闪出耀眼的光芒。奥本海默一辈子没拿过诺贝尔奖，但是他的水平绝不比许多诺奖获得者差。一个人的学术水平一般来讲是他周围圈子的平均值，前面所述，奥本海默碰到的人全是诺奖获得者，包括跟他不睦的大师兄布莱克特，环境对人的影响不容小视。        奥本海默用广义相对论计算一个不转动的球体引力场，然后再计算中子的物态方程，计算出了一个极限——中子星的质量上限，不超过0.75个太阳质量，这个结果当然是不对的。目前看来，奥本海默极限还不是很确定，一般取1.5-3倍太阳质量。有人认为也许存在比中子星更加致密的“夸克星”，不过一般认为，超过奥本海默极限，将没有任何力量能扛住引力，只有一直塌缩下去。        那时候的欧洲是理论物理学水平最高的地方，量子领域以哥本哈根理论物理研究所名气最大，玻尔老师为大批青年科学家提供了优越的工作交流环境。哥廷根大学也能与之分庭抗礼，玻恩老师手下也有很多精兵强将。此外还有德国的慕尼黑、荷兰的莱顿、奥地利的维也纳、瑞士的苏黎世、意大利的罗马等等一系列学术中心，欧洲大陆之外就只有英国可以并驾齐驱。欧洲是个令人向往的圣地。美国人奥本海默来了，苏联人卡皮查、朗道、伽莫夫来了，印度人拉马努金、拉曼、钱德拉塞卡来了，日本的长冈半太郎和仁科芳雄也来了，中国留学法德的不计其数，有一位长相敦厚的革命家在哥廷根盘桓了许久，他叫朱德。朗道，伽莫夫，伊万年科号称“三剑客”，是苏联物理学界的新星。二十来岁的朗道显示出日后一代宗师的风范，但是二十世纪的三十年代初期是暗流涌动的年代，整个世界政局动荡，说到底还是经济危机给闹的。        1933年，那个矮个子的“卫生胡”，一战之中深受毒气伤害而幸存下来的传令兵希特勒早已今非昔比。他在老总统兴登堡的钦点之下，一跃成为德国总理，纳粹势力已经开始掌权。到了1934年，苏联国内也不太平，斯大林开始了大清洗，五位元帅，他枪毙了三位，被捕被杀的人不计其数。伽莫夫倒是嗅觉灵敏，提前一年就开溜，借着出国访问的机会，一去不回头了。他1933年在巴黎的居里研究所工作，1934年去了美国。伽莫夫和朗道都在欧洲求学多年，与欧洲的各大科学机构都有联系，他们都在玻尔的哥本哈根理论物理研究所深造过，别看时间不长，朗道后来倒是很愿意称自己是玻尔的学生。1938年4月，一辆小轿车停在朗道家门口，几个肃反人员带走了朗道，朗道的助手也被逮捕了。他的顶头上司——著名物理学家卡皮查当天就写信给斯大林，说二十九岁的朗道是天才的理论物理学家，任何人都无法代替，他年轻气盛，一定是有人陷害他。卡皮查后来求爷爷告奶奶，斯大林身边的人物他求了个遍，给贝利亚写信，给莫洛托夫写信。恰好这时候发现了液氦的“超流”现象，卡皮查写信给莫洛托夫，说超流这种现象非常奇怪，非要道这种天才才能研究出来。国外的玻尔也写信给斯大林求情。最后折腾了一年，朗道幸运地被放出来了，人已经十分憔悴。卡皮查以阖家性命担保朗道，朗道也感激卡皮查的救命之恩。        当然，大清洗的高潮早已经过去，1938年已经接近尾声了，如果是在最严酷的年代，朗道可能要麻烦得多。后来朗道的声望如日中天，苏联国内该拿的荣誉一个都没少，出版文集的时候。他把与伊万年科合作的五篇全都删掉了，对伊万年科十分轻蔑。为什么？难道是与当年的牢狱之灾有关？你猜吧，天知道！伽莫夫因为一去不回，被苏联科学界除名，“三剑客”早已分道扬镳。苏联这边一场大风暴刚刚趋于平静，德国那边又起波澜。1938年11月9日，爆发了历史上臭名昭著的排犹事件，一大批人涌上大街，凡是犹太人的窗子全部被砸掉，犹太人的财产全部被打砸抢。        一整夜，玻璃碎裂的声音和大火的“噼啪”声不绝于耳，其间还夹杂着妇女儿童的哀鸣。事情的起因是一名犹太人在德国驻巴黎大使馆打死了使馆秘书，希特勒趁此机会借机发难。戈培尔阴险地宣称：夜里会发生不测事件。果然，这天夜里，一帮暴徒们冲上街头打砸店铺，把犹太人的产业尽数砸光。一时间，许多建筑被点燃，浓烟滚滚，烈焰飞腾，约二百六十七间犹太教堂、超过七千间犹太商店、二十九间百货公司遭到纵火或损毁，奥地利也有九十四间犹太教堂遭到破坏。11月10号清晨，大街上满是碎掉的玻璃，在旭日照耀下格外刺眼。这一夜被称为“水晶之夜”，犹太人大祸临头。        爱因斯坦早就看到苗头不对，1933年纳粹一上台，他就宣布不再回德国。没多久，他的家产房子就被查抄。许多德国科学家都对纳粹没啥好感，比如普朗克就是如此，希尔伯特也不喜欢纳粹，但是纳粹狂热在知识分子中间也一样不能避免。1933年秋天，有九百六十位教授在著名的存在主义哲学家海德格尔、艺术史学家平德尔、医学家沙尔勃鲁赫教授这些学界名流的带领下，公开宣誓支持希特勒与纳粹政权。后起之秀、大物理学家海森堡也拥护纳粹，为纳粹工作，后来他和其他拥护纳粹的物理学家一起参与了制造原子弹。自那之后，德国犹太人一天比一天惨。1939年，德国并吞了整个捷克斯洛伐克，紧接着就突袭波兰，第二次世界大战开始了。仅仅一个月，波兰亡国，速度快得让人吃惊。德国开始横扫西欧，下一步是打丹麦和挪威，然后集中力量对付法国、比利时、荷兰。一年的时间，整个西欧尽入希特勒的囊中。潮水般的欧洲犹太人涌向英国美国，其中很多人是科学家、文学家、艺术家。欧洲大陆作为世界文化与思想的中心断崖式跌落谷底，大批优秀人才开始往新大陆迁移。        丹麦被占领，玻尔就陷入了险境。因为很多欧洲的犹太人学者都是通过玻尔的途径离开德国的。氢弹之父爱德华·泰勒是匈牙利犹太人，本来在海森堡手下工作，纳粹一上台，他就在犹太人援助委员会的帮助下离开了德国，在英国待了一阵子就到了哥本哈根玻尔那里，两年以后，去了美国。好多人都是拿玻尔那里当做中转站的，海森堡与他有师生情谊，自然还能有些关照。彼时海森堡已经是希姆莱手下的红人，时常穿着党卫军服招摇过市。他去见过一次玻尔，但是已经话不投机，这两位伟大的量子力学开创者，曾经亲密的师生变成了陌路人。        因为玻尔帮助大批犹太人逃了出去，免于被送进毒气室，即便有海森堡关照，纳粹也不能放过玻尔。形势越来越危险，1943年，在抵抗组织的帮助下，他先是逃到了瑞典，瑞典是中立国，跟英国还有秘密的来往。后来玻尔再次出逃，据说是一架蚊式轻型轰炸机带着玻尔飞到了英国。途中他还晕过去了，因为他没带氧气面罩。还有种说法是他是藏在炸弹仓里飞去英国的，假如飞行员不小心按错按钮，他就有被当炸弹扔出去的危险。        玻尔后来和查德威克一起去了美国，给原子弹工程当顾问，直接参与了原子弹工程。爱因斯坦也是美国政府的顾问，不过他这种自由奔放无拘无束的人是不适合参与一项庞大的工程的。负责这个工程的首席科学家，正是奥本海默，这个家伙既有科学水平，又有团队管理能力，是个不可多得的复合型人才。        爱因斯坦落脚在了普林斯顿，同去的还有冯诺依曼、图灵、哥德尔等一系列的顶尖学术大师。爱因斯坦最喜欢和小他二十七岁的哥德尔边走边谈，散步回家。我们可以想象，两位大师站立在夕阳中的背影，那真是一道绝美的风景。哥德尔是数学界的一个里程碑，他的“哥德尔不完备定理”贡献不仅仅震动了数学界，也让哲学界吃不消。后来哥德尔相应爱因斯坦的号召，开始研究广义相对论，得出了一个奇葩的结论叫做“闭合类时线”，通俗点讲，就是“时光机”。由此引出了一个出名的逻辑问题叫做“外祖母悖论”。无数物理学家们想尽办法阻止这东西出现，可是这东西时不时就能冒出来，科幻作家们倒是开心得不得了，时光机是他们的最爱嘛。       爱因斯坦的余生就在普林斯顿度过，到美国以后的主要论文都是与助手一起合作的。他与助手搞出了好几项成就，比如爱因斯坦-罗森桥，引力波以及EPR问题。爱因斯坦-罗森桥可以认为是第一次发现了时空穿越的可能性，但是这个途径是堵死的。引力波倒是实实在在的成就，情节大翻转也颇有戏剧性。至于EPR问题，则是隔着大西洋与玻尔打笔墨官司。薛定谔看到论文以后不由得倒吸一口凉气，一个词脱口而出——“量子纠缠”。老爱这几个成就虽然比不上年轻时的锋芒与锐气，倒也还是显示出姜是老的辣。即便是反对玻尔，也能体现出超一流的水准，犯错误都能犯得潇洒帅气。        爱因斯坦经常去海边度假。这一天，有几个不速之客来访，他们都是来自匈牙利的犹太人，为首的是西拉德。1938年是核物理的关键年，西拉德就是首先发现核裂变链式反应的人之一，一个书斋里的科学成就，迅速就体现出巨大的军事价值，制造原子弹从原理上讲是可行的。他们到了美国以后，想来想去坐立不安，海森堡可是了解一切的，偏偏他投了纳粹。他们急匆匆给爱因斯坦送来了一封信，希望他签名。爱因斯坦看了一眼，主要的意思是提醒罗斯福总统要关注原子弹。爱因斯坦没有犹豫，抬手就签上了自己的名字。这封信后来促成了美国的原子弹工程，前来拜访的这几个人后来都参与了核武器的研制。进门拜访爱因斯坦的不算是最狠的角色，开车带他们来的那位才是真正的狠角色，他就是氢弹之父爱德华·泰勒。                          图13-6　阿拉莫戈多的核试验        原子弹工程极大地促进了核物理的发展，科学界从此进入了大工程时代。你想凭着在自己的实验室里鼓捣出世界级的成就，看来是没机会了。到了1945年，第一颗原子弹顺利地在新墨西哥州的沙漠里炸响（图13-6），在场观看的奥本海默引用印度教经典《薄珈梵歌》中的句子“比一千个太阳还亮”来形容原子弹爆炸的壮观场景，“日出”被人类抢先了。接下来，两颗原子弹扔在了日本，天皇宣布投降，太平洋战争结束。        原子弹的巨大威力震惊了世人，美国事后发布的公告里有几句话，在物理学家们听来显得意味深长：“这是一枚原子弹，它驾驭的是宇宙间的基本力量，太阳从中获得能量的那种力量，我们把它释放出来对付那些在远东发动战争的人……”        宇宙间的基本力量？在伽莫夫听起来别有一番滋味。早年在苏联红十月炮兵学校当过上校教官的经历使他无缘参与机密的原子弹工程，但是他对核物理非常关心。早在1928年，他就研究过原子核的α衰变理论，后来在1936年和泰勒一起搞过β衰变的研究。1938年，他开始转向天体物理学，研究恒星演化问题和恒星的核能源机制。核爆炸放大到宇宙级别，这不就可以解释宇宙起源的问题吗？这是宇宙间的“基本能量”啊！1948年伽莫夫发表了《宇宙的演化》和《化学元素的起源》等文章，提到了一个核火球的模型：宇宙的早期是一个温度非常高的状态，这个原始的核火球“砰”地一下炸开，不断地膨胀，从而形成我们今天见到的这个宇宙。       看起来，伽莫夫的理论和我们前文提到过的弗里德曼和勒梅特的理论很像对吧？道理很简单，伽莫夫曾经是弗里德曼的学生，老师的东西，学生当然很熟悉。勒梅特神父得知伽莫夫提出的火球模型以后，也非常支持伽莫夫。如果说，宇宙演化在弗里德曼和勒梅特手里还只是个初步数学模型，还只不过是方程式的一组奇怪的解，那么到了哈勃观察到哈勃红移以后，就已经是摆在科学家面前的一个实实在在的问题了，宇宙演化问题将无可回避。宇宙到底是如何演化的？在伽莫夫的努力下，弗里德曼和勒梅特单薄的理论开始变得丰满起来。        伽莫夫做了几个预言，首先是宇宙元素组成的问题。现在宇宙中的大部分元素都是氢和氦，别的元素只占个零头都不到，为什么氢和氦这么多呢？氢和氦的比例为什么是现在这个样子呢？按照伽莫夫的理论，都能做出比较合理的解释，一个理论仅仅能解释看到的问题，那是不能使人信服的。因此伽莫夫提出了一个预言：那一场爆炸在经过那么多年以后，还会剩下略微的余热，温度不会降低到绝对零度。按照热力学原理，高于绝对零度的物质都会发射出电磁波，现在的余热应该还剩下那么一点点的电磁信号。伽莫夫假定宇宙年龄三亿年，算出来余温应该是50K。当然，他的计算并不算准确，只是个大略的计算。同一年，阿尔弗与赫曼就计算出了余热应该是大约5K的温度，换算成摄氏度是-268℃。后来又有很多人计算这个温度，但是大家算出来的数值都不是太一致，用大天线来搜寻这个信号，但是也都没有什么靠谱的结论。        伽莫夫生性幽默，比较喜欢开玩笑，他在写《化学元素的起源》这篇文章的时候，玩了个“行为艺术”：他觉得自己的名字发音比较像希腊字母“γ”，合作者阿尔弗的名字比较像希腊字母“α”，他们的同事恰好有一个人名字叫做贝特，他在恒星能源方面做了很大的贡献，名字发音像希腊字母“β”。伽莫夫拉他入伙打酱油，最后大家署名“α、β、γ”，估计杂志社编辑吓一跳，真没见过这么署名的。到了1956年，伽莫夫发表了《膨胀宇宙的物理学》，更加细地描述了宇宙从原始的高密度状态演化和膨胀的整体概貌。他得出结论：“可以认为，各种化学元素的丰度，至少部分是由在膨胀的很早阶段，以很高速率发生的热核反应来决定的。”        伽莫夫的主要侧重点是在宇宙中的元素分布上。我们知道太阳系中最多的物质是氢，其次是氦，这哥儿俩占了总量的绝大多数。按照质量来计算氢占了75％，氦占了23％。因为氦原子比较重，按照质量来计算，氦账面上稍微好看一点。假如按照原子个数来算，氦比氢差了一个数量级。其他的元素就更加不堪，上百种元素加在一起，也只占了不到2％。如此悬殊的比例是怎么造成的呢？随着对恒星的研究越来越深入，大家已经基本上搞清楚了恒星内部发生着什么样的核反应，伽莫夫他们就是搞这个出身的。归根到底，恒星的能量是氢聚变称氦的过程中释放出来的，恒星释放出来的能量与产生的氦之间有固定的比例关系。        太阳释放出来多少能量呢？你看看照耀到地面的太阳光就能反推出来。地球接受了太阳光能的二十二亿分之一嘛！计算出地球一年接受了多少太阳光的能量并不难，平均下来大约每平方米是1367瓦的功率，黑子比较多的年份浮动大约1％，反推一下就可以知道太阳的总功率，乘以时间就是总能量。太阳在五十亿年的时光里，产生的能量折算成氦产量仅仅占了总量的5％，太少了。太阳是不是个典型的恒星呢？这话可就两说了，好在我们可以直接去估算银河系发出的总能量，大大小小稀奇古怪的天体全算在一起平均化了，应该是很有代表性的。一百亿年以来，银河自打形成到现在，产生的氦只占了1％，可是宇宙里面观察到了23％的氦。那些多余的氦是从哪里来的呢？元素的比例成了一个未解之谜。        恒星里面氢要演化成为氦，需要有一个质子变成中子的过程。氢仅含有一个质子，并没有中子存在，氦里面有中子，氢要想变成氦，那就先要弄出中子来才行。那么只有依靠β衰变，质子扔出一个正电子和一个中微子才能变成中子，两个氢原子核（质子）变成一个氘核。这个过程是个弱相互作用过程，速度极慢，一颗质子平均要等待10 9 年才能融合成氘，因此我们的太阳烧了那么多年也没烧光。氘核和氢核变成一个氦3原子核，氦3原子核再变成普通的氦，这么多年下来，产生的氦也只有那么一点点。        因此宇宙中如此之多的氦，必定不是恒星内部生成出来的。伽莫夫他们必须找到一个办法，能够迅速产生大量的氦。这样的相互作用必定不是弱相互作用，而是有其他的来源。宇宙诞生之初的那个核火球倒是一个很好的解释途径，伽莫夫他们把整个宇宙当做一个绝热系来考虑，可以用热力学来描述。我们通过简单的热力学可以知道，绝热状态下，你去压缩气体的话，气体温度会升高。相反，你让气体膨胀，温度会降低，就用这个原理来计算宇宙的变化过程。我们现在不妨把宇宙当做是个均匀的气体来对待，这样就可以反推宇宙的诞生过程。当初宇宙诞生的那一时刻，已经不可考证了，因为那时候已知的物理规律全部完蛋，但是在那之后的一段时间，倒是可以用物理学规律去描述。伽莫夫关注的就是宇宙诞生以后三分钟的事儿。宇宙随着体积的膨胀，已经从无穷高的温度降下来了，温度大约是十亿度，在十亿度的高温下，物质将会是个什么状态呢？有没有人知道呢？当然有人知道，伽莫夫的好友泰勒就在为这事操心，别忘了泰勒正在担纲领衔为美国研制氢弹，十亿度，大概就在氢弹爆炸需要掌握的温度范围之内。泰勒固然不能泄密，但是学术交流总能透露出来一点半点。        十亿度的高温之下，并不存在各种元素，仅仅存在质子和中子的混合流体，还有大量的高能光子窜来窜去，质子和中子都要遭受数以亿计的光子轰击。偶尔一个质子和一个中子因为强相互作用而结合成为氘核，也会被高能光子无情地打碎。中微子也在到处乱跑，这玩意可以导致质子和中子之间互相转换，那个场景就是个分分合合，变来变去的平衡态。这种平衡态，是可以用玻尔兹曼分布来计算中子与质子的比例的。宇宙仍然在不断地膨胀，温度也随之降低，随着温度的降低，一切趋向固化，中微子已经不再起作用了。质子已经没办法再变成中子，但是中子还会发生衰变，变成质子，同时释放出一个电子和一个中微子。中子要是没有被束缚住，是非常不稳定的，大约一刻钟时间就衰变了。好在宇宙诞生也不过才三分钟，那时候中子大量存在，只要中子和质子结合成原子核，就不会再衰变了。多亏那时候保存下了大批的中子，否则我们的宇宙就无法形成那么丰富的化学元素。考虑到落单中子衰变的因素，最后经过修正计算，算出来大约中子与质子的比例是1:7。氢不含有中子，氦含有中子，通过质子与中子的比例，可以计算出足够生成多少氦，最终结果大约是1:4的样子，这与观测到的数据23％是大差不差的。         质子与中子结合形成氘核是强相互作用，速度很快，从氘核变成氦，也是强相互作用，因此也很快，基本上是瞬间搞定。伽莫夫认为所有元素都是这么搞出来的，但事实上不是这样。宇宙最初只产生了几种稳定的原子核，氢核只不过是个最简单的质子，复杂一点的是氘：一个质子一个中子。氦是两个质子两个中子，还有一定数量的氦3——两个质子一个中子。氦和氦3组合成了铍7，这个铍7不稳定，衰变成了锂。氦也可以跟氚直接合成锂。氢、氘、氦、氦3、锂，这几种都是稳定的不带放着性的原子核，一直留存到了今天。大家在享受轻便的锂电芯带来的充沛电量的时候，可要知道其中一部分锂元素是宇宙诞生之初的无偿馈赠哟！        温度降到一亿度以下，原子核不再发生变化了，但还是一个充满高温等离子体的环境，物质与光子之间还在不断地起纠葛，光子没办法痛快地跑路。现在的太阳核心大约就是这种情形，温度大约两千万度。光子从太阳核心跑到表面，本来两秒钟就跑完了，但是一路上遇到高能带电粒子的不断纠葛，磕磕碰碰要随机拐上千亿个弯，足足花上五千年的时间才能走到太阳表面，就像穿过拥挤不堪的人群那样费劲。两千万度况且如此，更别提一亿度高温的宇宙初期了。        宇宙继续膨胀，温度继续降低，与那最初三分钟相比，这个时间就显得漫长多了。大约三十八万年之后，宇宙终于清明了，电子与原子核终于可以结合成中性的原子，再也没人阻挡光子，光子畅快地在宇宙中穿行，随着宇宙的不断膨胀，波长也不断地被拉长。到现在为止，应该还剩下微弱的电磁信号，这就是宇宙诞生之初的第一缕光——微波背景辐射。伽莫夫预言，这缕微光必定是能探测到的，不久以后就应该能观察到。哪知道这一等就是好多年。        伽莫夫他们的理论可以解释宇宙中元素的比例为什么是现在这个样子，而且可以预言微波背景辐射的存在，这在宇宙学的研究史上非常重要。从弗里德曼到勒梅特再到伽莫夫，他们这一脉的理论在当时远远突破了一般人的思维。自然有人不买账，英国的霍伊尔就是一个，他也是个非常优秀的天体物理学家，早在二战时期，霍伊尔和他的小伙伴们就开始琢磨宇宙是如何存在到今天的。到二十世纪六十年代，英国的金斯提出另一个概念，认为假设宇宙中不断产生新物质，在符合哈勃定律与广义相对论的前提下，宇宙仍然可能保持稳定。...