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第29章 婴儿宇宙(2)

既然黑洞是连接总宇宙与婴儿宇宙的通道,我们可以大胆地想像,如果一个人掉进一个黑洞中,那将会发生什么样的情况呢?有的人认为,如果黑洞在旋转的话,你便可以穿过时空的一个小洞而到另外一个宇宙中去。当然,这个情景实际上是行不通的。因为任何东西掉进黑洞里,都会被撕得粉碎,变为基本粒子。但是,我们可以这样设想,一个物体落进了黑洞,被强大的引力撕得粉碎,甚至连构成它的粒子也无踪无影,那末我们可以说在实时间的历史上它在一个奇点上终结了。然而,这些粒子将会进入到一个婴儿宇宙中去,在虚时间的历史上重新开始。

霍金把虚时间的概念引入到他的理论中去,这是一个重要的创造。如果要想把引力和量子力学统一起来,就必须引入虚时间的概念。虚时间是不能与空间方向区分的。这就是说,假如一个人能往北走,他就能掉转过头来朝南走;同样,假如一个人能在虚时间里往前走,他就应该能掉转过头来往后走。这就表明,在虚时间里,往前与往后不可能有什么重要的差别。然而,在实时间中,往前与往后有着极为巨大的差别。在霍金看来,虚时间也许才是真实的时间,而被我们称为实时间的仅仅是我们的想像。在实时间中,宇宙各有一个起点和终点,但在虚时间中,宇宙就不存在奇点或边界。物理学家詹姆·哈特尔曾经对虚时间作出解释说:“虚时间中的词‘虚’不是指想像,它是指数学中非常古老的观念,也就是虚数,譬如一l的平方根,理解这一点非常重要,对于一位给定的观察者,空间和时间当然是可以区分的:我们用尺来测量空间,用钟表测量时间。爱因斯坦和赫尔曼·闵可夫斯基在本世纪(指20世纪——作者注)初指出,不同的观察者的空间和时间概念,只不过是同一个统一的空间一时问观念的不同方面。空间一时间是四维空间几何,它有某些类空间的方向和某些类时间的方向。所以就一定意义上来讲,在那里空间和时间概念仍是可以区分的……如果你用虚数来测量时间方向,那你就得到了空间和时间之间的完全对称,这在数学上是非常美妙和自然的观念。无边界设想就是利用这个数学的单纯化,导致所有可能的宇宙的初始条件中的最简单的理论。但是,人们不应认为日常经验中可以直接体验到虚时间。它是一种用来表达物理方程式的美丽的数学观念,同时在此情形下,它是一个解释宇宙初始状况的特殊设想。”

一个物体能够从黑洞中进去,而从其他什么地方的白洞中出来,从广义相对论的物理过程中我们可以理解这一点。我们可以把白洞看成是黑洞的时间转换,它是一种物体可以出来但却进不去的天体。对于这个进入黑洞的物体来说,它进入黑洞的一刹那间,它在实时间处就终结了。而它在虚时间中又得以延续,作为粒子从白洞中出来而重新开始。

根据量子力学理论,真空中充满了虚粒子,它们形成了一对一对的正反粒子对。这些正反粒子对只能存在很短时间,然后就合并并消失。在黑洞的引力场中,正反粒子对中的每一个粒子都有可能处在视界之下并立即向黑洞的引力中心落去,而另外一个粒子则留在视界之外并飞离黑洞。它在飞离黑洞的同时,带走了黑洞的一部分能量。假定能量的总量维持不变,能量既不能产生也不能消灭,那末被黑洞所吞噬的粒子必定要补偿被其同伴带走的正能量。当陷入黑洞的粒子把其负能量加给黑洞时,黑洞的质量就会有所减少,它所减少的数量恰好与逃出的粒子所携带的辐射式的能量相互平衡。按照经典物理学的理论,这一过程根本就不可能发生,但是根据量子力学的法则,这一过程的产生是完全可能的。由于这一过程会反复出现,黑洞最后会失掉其质量并完全消失。当黑洞的质量和大小减小时,这一过程就变得越来越频繁。随着黑洞质量的减小,它的消失过程也就加快了。从宇宙始初时就出现的微型黑洞,到因星系群坍缩而形成的超大黑洞,它们或迟或早地会把自己的能量辐射殆尽。到了那个时候,黑洞消散的最终阶段就会来临,其结果可能是以一阵辐射的大爆炸作为结束,其衰变的产物中的大部分将会变为光子。

宇宙始初时的黑洞,在大爆炸后的大约150亿年的时间内,大部分都可能已经挥发殆尽了。一般来说,大黑洞的挥发与消失过程则需要花费长得多的时间,像太阳这么大质量的恒星所形成的黑洞,根据霍金辐射理论,要经过1066年才会消失,由一个星系引力坍缩形成的黑洞散发消失的全过程则需要1090至10100年,而由一个大的星系团的引力坍缩形成的超大黑洞则需要大约10108年才能够通过霍金辐射过程完全消失。一个处于辐射状态下的黑洞的终结阶段,往往会以一阵高温辐射为标志,发出短暂的光芒。总之,宇宙中一度存在的所有星系在过了很长时间之后会全部消失,所余下的只是一团很大、很冷、很黑的稳定的粒子气体,其中包括电子、正电子、光子、中微子和引力子。最后,宇宙将沉浸在由正电子一电子对所组成的极为稀疏的等离子体的一片辐射之中。

宇宙从无到有,从小到大,从大到老,周而复始,生生不息,都是遵照一定的规律进行的。而物理学的研究方法就是先找到宇宙赖以运动的规律,再运用这些规律来猜测各个系统之间是如何相互作用的。例如,科学家们发现光速是一个确定的值,它是一个最终的速度极限。有些物理学家对此困惑不解,他们不禁要问:为什么规律会以如此精确的值表现出来?譬如,光速为什么是每秒30万公里,而不是更快一些或更慢一些?为什么普朗克常数是一个精确的值,而不是更大一些或更小一些?为什么地球上的引力恰好这么大,而不是更大一些或更小一些?诸如此类的问题还很多,这些问题往往会使物理学家感到头痛。而比这些问题更使物理学家大伤脑筋的是这样一个问题:我们生活的世界为什么恰好适合于像我们这样的生命形式生存?这个问题的复杂性就在于:如果这个世界完全不适合于我们这样的生命形式生存的话,那末我们也不会存在并思考这些问题了。按照宇宙膨胀时的物理学规律,产生出这样一个适合像我们这样的人类生存的宇宙是不是一种巧合呢?按照“气泡宇宙”无限性的理论,这并不是一种巧合。这一理论同时也能解释宇宙中其他巧合现象。

这里实际上涉及另外一门学科,即“人类宇宙学”,它是根据物理学定律与我们人类之间的关系来了解宇宙的本质的科学。剑桥大学的马丁·里斯是这一学科的主要代表人物。他和霍金是同一时代的人,他出生于1942年6月23日,与霍金同时在剑桥大学攻读博士学位。1973年,他31岁的时候,成了天文学和经验哲学的普卢米安教授,比霍金成为卢卡斯教授还要早6年。他1979年被选为英国皇家学会的成员,比霍金要晚5年。霍金是通过对黑洞的奇点和层面、时间的开端等一系列特别问题的研究而获得的名誉和名声,而里斯则是以自己的多方面的工作赢得了名声和威望。他的研究范围很广,从类星体、脉冲星到黑洞对其周围的影响,从宇宙到使宇宙封闭的黑色物质的性质。20世纪70至80年代,他把注意力转向人类宇宙学的研究,激起了科学家对这一主题的浓厚兴趣,霍金也开始对这一研究加以关注。

里斯在研究宇宙演化时创立了一个宇宙模型,其中的引力要大于我们所生活的宇宙的引力,但所有其他的物理定律及其所起的作用都是相同的。星系、恒星和行星都可以在这个宇宙模型中存在,但它们与它们在我们所生活的宇宙中的对应物是非常不相同的。特别是在里斯的宇宙模型中所有的一切都以极快的速度运行和发展着,而我们所生活的地球花了40亿年才进化出人类智能,以至我们不得不怀疑在这样一个宇宙模型中是否适合智能的进化。

在里斯的宇宙模型中,他选择了一个特定的引力强度值,其中的恒星都是小恒星,直径大约为2公里,它的质量比月亮的质量还小得多,大约相当于太阳系中的一个小行星的质量。这些恒星的生命周期都很短,大约只有我们时间单位的一年,它的亮度是太阳的十万分之一。地球表面的温度大约是15℃,而在里斯的宇宙模型中,也有一颗行星与地球有着相近的表面温度,它围绕着恒星运行,与恒星之间的距离大约是地球到月亮的距离的2倍。这颗行星围绕恒星旋转一周的时间大约是我们的时间单位的20天。这颗恒星的寿命也非常短,大约只有15年的时间就会燃烧殆尽。而太阳的寿命至少有loo亿年的时间。

在这样一颗行星表面生存的生命也是短暂的,因为有太多的条件不适合它们生存。在这颗极小的行星上最高的山脉也不过只有30厘米高,而在这颗行星表面的任何生物的最大质量也不过是千分之一克,由于在那个世界上具有强大的引力,任何稍大的生物只要一旦跌倒,其身体就会散架。

这里引出一个最重要的事实,即引力强度的变化引起了宇宙中所有一切的变化。由于引力强度的变化,在宇宙膨胀阶段会产生出不适合像我们这样的生命形式生存的宇宙。

假如我们生活的宇宙是惟一的,那末使人类这种生命形式得以存在的这种巧合实在是一个令人困惑的问题。然而,假如有许多宇宙可能存在的话,就会有一个比较明确的解释。因为每一个不同的“气泡宇宙”或许都有自己不同的物理规律。这样,在有的情况下,“气泡”会被引力极为紧密地吸引在一起,在生命得以演化之前重新发生坍缩,使得生命的演化永远不能进行。而在另外一些情况下,引力可能会很弱,以至于物质永远不会被吸引在一起,而形成恒星和行星。但是,这就会有一系列可能的宇宙产生,在那里,恒星、行星和智能被演化出来。

如果这种关于宇宙的描述正确的话,那末也就意味着在总宇宙中有无数个宇宙。而在这无数个宇宙中,只有那些与一定的物理学定律相适合的宇宙才会有像人类这样的生命形式存在。也就是说,我们的存在在一定程度上已经事先选择了适当的物理定律,而我们也会发现宇宙就是按照这些物理定律来运行的。这种观点就是著名的“人择原理”。概括地说,它认为,我们之所以现在看到宇宙是这个样子而不是别的样子,是因为如果它不是这个样子,我们就不会在这里观察它。霍金对此解释说:“按照这个理论,存在许多不同的宇宙或者一个单独宇宙的许多不同的区域,每一个都有自己初始的结构,或许还有自己的一套科学定律。在这些大部分宇宙中,不具备复杂组织发展的条件;只有很少像我们的宇宙,在那里智慧生命得以发展并质疑:‘为何宇宙是我们看到的这种样子?’这回答很简单:如果它不是这个样子,我们就不会在这儿!”

所有在膨胀中产生的各种可能的宇宙都有自己的一组物理定律,当然,我们不必认为它是真实的,可以把它假定为一种数学上的可能性,就如同一个电子从一点到另一点上有不同的路径一样。霍金运用量子力学理论中的“历史总和”的方法指出:我们生活的宇宙不仅是历史的许多可能之一,而且还是其中的最可能的之一。

20世纪90年代,人们逐渐不再认为我们生活的宇宙是惟一的,而比较普遍地认为我们生活的宇宙只是许多宇宙中的一个。因此,提出婴儿宇宙的观点,就不再是奇谈怪论了。

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