时间简史续编-第8部分

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邓尼斯·西阿玛

　　彭罗斯宣布了他的结论：当一些恒星不断地坍缩下去，只要满足某些非常广泛的条件，而且是任何人都会认为合理的条件，它们就会变成一个奇点。

　　史蒂芬·霍金开始第三年研究生课程时，我记得他曾说过：〃这个结论非常有趣，我在想是否可以用来理解宇宙的开端？〃他的想法是，只要你在心理上把时间逆转，就可把膨胀的宇宙认为是一个坍缩的系统；它有点像一个非常巨大的坍缩星。人们同样可以考虑：在那种时间意义上，当宇宙坍缩时，它达到一个奇点。或者在正常的时间意义上，我们得到从大爆炸起源的爆发。在非常对称的宇宙模型中，这爆发肯定是奇性的。

　　史蒂芬接着说：〃也许和彭罗斯恒星定理相同的考虑也能成立。〃也就是说，甚至在一个实际上不规则的宇宙中，开端也许必须是奇性的。它再次不仅是一个有趣的结果，由于它意味着广义相对论在宇宙最开初时无效，所以导致智慧的危机。因此，史蒂芬说：〃我想把彭罗斯结论应用到整个宇宙上。〃

　　他在研究生的最后一年做到了这一点。

　　采取彭罗斯的方法绝非易事：结果非常杰出。如果你翻阅他的论文就知道，最后一章包含了他解释宇宙开端的第一道奇性定理。

史蒂芬·霍金

　　彭罗斯的结论就是第一道奇性定理。为了证明，彭罗斯把某些全新的技术引进广义相对论。我没有出席他在伦敦的定理发表会，可是第二天我听到了。因为我正在考虑相当类似的问题，过去是否有奇点作为时间的起点，或者宇宙早先是否有过一个收缩过程和反弹。我能够利用彭罗斯和我自己的一些方法显示，如果经典广义相对论是正确的，则在过去必须有一个奇点，这正是时间的开端。任何可能存在此奇点之前的东西都不能被认为是宇宙的一部分。

白纳德·卡尔

　　白纳德·卡尔跟随史蒂芬·霍金做他的研究生论文。1974年他还伴随霍金一家到加州理工学院，他在那里帮助照顾史蒂芬。他目前在伦敦大学的玛丽皇后和西费尔德学院教物理。

　　史蒂芬和罗杰·彭罗斯是两位伟大的相对论家，他们研究非常类似的问题。他们最后得到了著名的定理，在宇宙的开端处必须存在奇点，也就是相对论失效的地方。他们的发现在某种意义上可以视为：广义相对论在非常特殊的情况下预言了自身的失效。

　　奇点以两种情况出现，它们在黑洞的中心出现，这是罗杰·彭罗斯证明出来的；但是我们还能指出，在极早期宇宙中必须存在一个奇点，这是霍金和彭罗斯共同证明的。

　　如果经典相对论在奇点处失效的话，究竟会发生什么？人们只要说，因为我们知道理论失效了，所以就放弃算了。当然，量子引力的目标正是为了解决这个问题。

史蒂芬·霍金

　　对远处星系的观测显示，它们正离我们而去：宇宙正在膨胀。这指出星系在过去必须靠得更近。由此就产生了这个问题：是否在过去的某一时刻，所有星系都互相叠在一起，而宇宙的密度为无限大？或者原先存在一个收缩的相，星系在这种相中能够避免相互撞到一起？也许它们会相互穿越并重新开始相互离开？这个问题需要新的数学工具才能回答。这些工具主要是罗杰·彭罗斯和我在1965和1970年间发展的。我们利用这些工具指出，如果广义相对论是正确的话，过去必须存在过无限紧密的状态。

　　这个无限密度的状态被称为大爆炸奇点，它是宇宙的开端。所有已知的科学定律在奇点处失效。这意味着，如果广义相对论是正确的话，则科学不能预言宇宙是如何开始的。然而，我更近期的工作指明，如果我们加上量子力学的理论，也就是非常小尺度的理论，则可以预言宇宙是如何开始的。

基帕·索恩

　　在50年代或更早的时期，广义相对论大体上是数学的一个分支；把它引进物理学主要应归功于普林斯顿大学的约翰·惠勒。物理学家询问真实世界的问题，诸如什么是基本粒子的性质？基本粒子由什么构成？而几十年来广义相对论的权威人士一个典型的课题是，他们想以数学上严谨的方式，推论出制约在弯曲空间时间中理想粒子的运动定律。这个课题的动机主要是想找出广义相对论结构更深入的数学解释，而不是要深入了解宇宙本质的核心。

　　所以50年代是思考弯曲空间时间的方式剧变的时期，从考察数学结构到开始按照物理来思考。这要归功于惠勒：有些人称他为黑洞的鼓吹者，由于他的热情，令人信服地洞察出黑洞是物理中最激动人心的问题，是要真正理解宇宙和物理基本定律的人所应该研究的。

　　大约在这个时期，约翰到剑桥演讲，他强烈影响了邓尼斯·西阿玛小组的成员，最终也影响了史蒂芬·霍金。他对物理学中什么问题重要有极好的判断力，他说服我们黑洞正是未来物理发展的中心。

约翰·惠勒

　　约翰·惠勒是八本书的编者、合作者或作者。他是奥斯汀德克萨斯大学和普林斯顿大学的名誉教授。他获得十六所大学的名誉学位。他在1969年创造了〃黑洞〃这个术语。

　　1969年我们在纽约市阿姆斯特丹大道的太空物理研究所开会。我说，在做最后结论之前，还必须把另一个东西提出来，这就是引力完全坍缩的物体。而你在重复诸如〃引力完全坍缩物体〃用辞十次以后，就会觉得必须有一个更好的名字。这就是我开始使用〃黑洞〃这个术语的缘由。

布兰登·卡特

　　布兰登·卡特生于澳大利亚，在剑桥彭蒙布洛克学院学完本科之前在苏格兰受教育。他继续在剑桥的应用数学和理论物理系研究和教学。1975年他在法国国立科学研究中心工作。1986年他成为巴黎天文台的研究主任。

　　奥本海默最先开始思考黑洞的含义和形成，不过黑洞这名称是二十年后才出现的。可是直到50年代人们才接下去研究。尤其是约翰·惠勒贡献良多。在英国，关键人物是我的导师也是史蒂芬·霍金的导师邓尼斯·西阿玛。邓尼斯在英国和惠勒一样起带头作用：他使大家产生兴趣。罗杰·彭罗斯便是其中一人。彭罗斯独一无二的贡献是把许多现代数学的方法、高等拓补学和微分几何用来解决纯理论数学家从未想去着手解决的问题。

　　〃黑洞〃这个名词的发明使事情大为改观。没有通俗的词汇，则不仅和其他领域的人甚至和专家交流都很困难。由于缺少一个词，实际上在研究同样问题的人，彼此都不知道。

　　约翰·惠勒发明了这个术语后，情形就戏剧性地改观了。这并非第一个名称，以往还用过其他术语，可惜不受欢迎。在全世界，无论是在莫斯科、美国、英国和其他地方，所有人都采纳它，他们都知道是在讲同一件东西。不仅如此，整套概念一下子就传到大众中去，甚至科幻作家也能对此说三道四。

约翰·惠勒

　　朋友们问我：〃如果黑洞是黑的，你怎么能看到它呢？〃而我答道：你曾经去过舞会吗？你看到过年轻的男孩穿着黑色晚礼服而女孩穿着白衣裳在四周环绕着，他们手挽着手，然后灯光变暗的情景吗？你只能看到这些女孩。所以女孩是正常恒星，而男孩是黑洞。你看不到这些男孩，更看不到黑洞。但是女孩的环绕使你坚信，有种力量维持她在轨道上运转。

史蒂芬·霍金

　　掉入黑洞中成为科学幻想的恐怖。可是实际上，黑洞现在可以说成是真正的科学事实。

　　当然科幻作家大书特书的是，如果你真的掉进黑洞中将会发生什么。一般看法认为，如果黑洞在旋转，你就可以穿过空间一一时间中一个小小的洞，而通到宇宙的另一个区域去。这显然为空间旅行提供了极大的可能。的确，如果我们要旅行到其他恒星，不用说到其他星系去，要使这种愿望将来可行，需要这样的可能性。否则的话，没有任何东西能比光旅行得更快这个事实表示，到最近的恒星来回旅行至少要花八年时间。所以别想到α－半人马座度周末了。另一方面，如果人们能穿过一个黑洞，也许他可以在宇宙任何地方重新出现。如何选择你的目的地则完全不清楚：也许你想到处女座渡假，而结果却到达蟹状星云。

　　但是，我只能遗憾地使期望星际旅行的观光客失望，这个假设是不成立的；如果你跳进一个黑洞，你会被撕裂并被压榨到完全不存在。然而，在某种意义上可以说，组成你身体的粒子继续在其他宇宙中存在下去。我怀疑对进入黑洞而被压制成像面条的人，知道他的粒子也许还会存在，是否会感到一些安慰。

约翰·泰勒

　　约翰·泰勒是伦敦国王学院的数学教授。70年代他进行了许多有关黑洞的研究，写了一本这个课题的畅销书。最近他从研究宇宙学改为研究神经系统。

　　如果有一个黑洞非常大，由质量相当于我们星系的物质所构成，所以它的事件视界大约具有太阳系的半径。人们从事件视界掉落时没有任何特殊的感觉。然后，大约一个礼拜后、他开始感觉到压迫，他被拉得越来越长，而且变得稍微瘦一些，当然，他开始被压挤，直到变得非常长非常细，而且相当难看。两周以后他就会落到黑洞中心，然后死去。那当然是引力坍缩的问题。

　　可是在中心发生了什么呢？在中心，标准引力加上一点经典物理就告诉你，你会消失。这真荒谬。这太糟糕了，你正在毁灭用来做这些预言的整个模型结构。

　　事实上，有一次我曾充当论文竞赛的裁判，其论题是如何通过黑洞并且生存下来。我面临的问题是不知如何评奖。如果我说：〃哎，那似乎是篇好论文，〃则求证它的正确性唯一方法是，按照实验落到黑洞中去我假想你会要求该论文作者和你同行。可是问题在于，如何把结果告诉世界上其余的人？你是否得带着要颁给他们的奖一起去呢？他们到达中心时要如何处理那个奖呢？

　　实际上，由落到黑洞中心的物体会突然消失这个事实可知，引力和经典物体模型本身包含了它毁灭的原因。现在，当它也许在最后的十万亿亿亿亿亿分之一秒的时间里被极力压缩，就在那一时刻起，时间和空间的性质大大地改变了。而且为了检测那最后的、绝对短暂的时间，随着所有物质流进去并且坍缩，它自身压缩并加热而得到非常高的能量，所以人们必须使用极高能量的效应。换句话说，你要重新经历一遍整个宇宙的开端，你回到了非常坍缩的状态。

　　为了描述它，我们需要这些量子效应，也就是使你避免实际消失的不确定性效应。可有许多原因用来解释所发生的。就第一原因而言，一个非常好的、并且也许是正确脱离这困境的原因是：当你回溯过去，从而不断趋近大爆炸的开端，就能避免被毁灭，或者当你落到一个黑洞的中心去，时间在流逝，你的手表时间，当然你的手表或手腕都很悲惨地毁灭，但是活动在继续进行，而时间就是活动。现在，当你越来越接近中心，也许是活动时间扩展开来，这样你不仅仅是必须度过十万亿亿亿亿亿分之一秒，你不断地向黑洞中心接近，但永远不能到达，由于总有新的活动