对于更大黑洞的活动，可以预期会出现更为壮观的效应。现在看来，许多星系的核 心很可能包含超大质量黑洞，其证据是在这些星系核中观测到恒星在很快地运动，并且 明显趋向一个有很强引力作用的高度致密天体。对这种天体质量的估计表明，它们可能 包含了相当于 1000 万到 10 亿个太阳的物质，这么大的质量使它们对任何漂泊到附近 的物质有一种贪婪的吞食本能。恒星、行星、气体和尘埃都可能为这类怪物所捕获。物 质下落过程有时很可能非常激烈，以致会改变星系的整体结构。天文学家对各种各样活 动星系核十分熟悉。有些星系的外貌确确实实呈现有爆发活动，许多活动星系是强射电 源、强 X 射线源，或其他能量形式的强源。最与众不同的是一类具有巨大气体喷流的 活动星系，喷流可长达数千甚至几百万光年。某些这类天体的能量输出之大简直令人难 以置信。所谓类星体（或者说类似恒星状的天体）是一些极其致密的天体，直径可能只 有 1 光年，所以它们看上去像是一些恒星，但所发出的辐射能却与数以千计的普通星 系的辐射一样多。　　许多天文学家相信，这类受到严重扰乱的天体的中央发动机是一些巨大的旋转黑 洞，它们正在摄取附近的物质。任何一颗恒星只要靠近黑洞，就很可能首先为黑洞的引 力所撕裂，或者因与其他恒星发生碰撞而碎裂。这些被撕裂的物质可能形成一个热气体 盘，它绕着黑洞旋转，并慢慢地向内沉落，这跟天鹅 X-1 的情况一样，只是尺度要大 得多。于是，随着物质的内沉，大量的引力能沿黑洞的自转轴方向释放出来，从而产生 一对方向彼此相反的喷流。这种能量释放机制和喷流的形成可能是很复杂的，它们不仅 涉及引力，还涉及电磁力、粘滞力和其他一些力的作用。这一领域一直是理论和观测工 作的重点研究课题。　　银河系又会怎样呢？是不是我们的银河系也会以这种方式遭到破坏呢？银河系中 心位于人马座，离开我们有 30000 光年之远。它的内区被大量的气体尘埃云所遮蔽， 但是利用射电、X 射线、？ 射线和红外辐射探测器，天文学家已经能够识辨出在那儿 有一个高度致密而又蕴藏巨大能量的天体，称为人马 A* 。尽管人马 A* 的尺度不会超 过几十亿公里（按天文标准，这是很小的），但却是银河系中最强的射电源。它的位置 与一个很强的红外源相重合，而且同一个 X 射线天体靠得很近。虽然情况十分复杂， 但那里隐藏着一个黑洞的可能性看来正在增大，而且用它至少可以解释若干观测现象。 不过这个黑洞的质量可能不大于 1000 万倍太阳质量，正好处于超大质量范围的下限。 没有任何证据表明它有其他某些星系核中所出现的那种大规模的能量发射和物质抛射 的现象，但这也可能是由于这个黑洞目前正处于相对平静阶段。未来的某个阶段，也许 在接收到更多的补充气体后，它可能会被激活。如果是这样的话，银河系核会变成激烈 活动的星系核，虽然它不大可能会像我们所知道的其他许多星系那样道到严重破坏。现 在还不清楚这种激活对位于银河系旋臂上的恒星和行星会有什么样的影响。　　只要附近还有物质供应给它，黑洞就会继续释放被吞食物质的质量能。随着几十亿　　年时光的流逝，越来越多的物质被黑洞所吞食，结果使黑洞变得更大，食欲更旺盛。这 种魔鬼般的黑洞会通过其强大的引力场使偶尔靠近的天体快速地吞噬入其空腹之中，而 且由于引力辐射，一种极其微弱但最终起决定性作用的引力过程，最终也会使在很远的 轨道上绕其旋转的恒星难逃厄运。　　在 1915 年提出广义相对论后不久，爱因斯坦发现引力场有一个引人注目的特性， 即这些引力场方程预言存在具有波动性质的引力振荡，它们的传播速度就是真空中的光 速。这种引力辐射使人想起电磁辐射，如光波和无线电波。不过，尽管引力辐射可以携 带很多能量，但在物质作用的程度上它不同于电磁辐射。无线电波很容易被像金属丝网 那样的小巧结构所吸收，而引力波的作用则非常微弱，它可以畅通无阻地穿过地球而几 乎毫无损耗。如果能做成一个引力激光器则需要 1 万亿千瓦的射束才能煮沸一壶水， 效率只相当于 1000 瓦的电热丝。引力辐射是相当微弱的，究其原因在于事实上引力是 自然界内各种已知力中最最微弱的一种。例如，原子中引力与电力之比约为 10-40 。我 们之所以会注意到引力的唯一原因完全在于它的累积效应。因此，它对行星这种较大天 体起着决定性的作用。　　引力波的效应是极其微弱的，它们的产物也毫不显眼。原则上说，只要质量受到扰 动，就会产生引力波。例如，地球绕太阳的运动会发射出一系列连续的引力波并进入银 河系，但输出的总功率仅有 1 毫瓦。这份能量损耗会造成地球轨道的减小，但减小的 速率慢得出奇：每 10 年大约减小 1000 万亿分之一厘米。　　但是，对于以接近光速运动的大质量天体来说，情况便截然不同了。有两种现象可 能导致重要的引力辐射效应。一种是突发性的激烈活动事件，如超新星爆发。或恒星坍 缩形成黑洞。这类事件的结果是发射短暂的脉冲式引力辐射，也许只能持续几个微秒， 但通常会携带 1044 焦耳能量（与太阳所输出的热量相比，后者约为每秒 3×1026 焦耳）。 另一种是大质量天体彼此作高速互绕转动时的那种比较慢也比较规则的运动。例如，一 对密近双星会产生大流量的引力辐射。如果其中的两颗恒星是坍缩天体，如中子星或黑 洞，那么这一过程便特别有效。天鹰座里有两颗作互绕轨道运动的中子星，相距仅为几 百万公里。它们的引力场极强，每转动一周所需要的时间还不到 8 个小时，因此这两 颗恒星的运动速度同光速相比也是相当可观的。这种非同寻常的奔跑极大地放大了引力 波的发射率，结果，轨道的每年减小量便可以测量出来（运动周期约改变 75 微秒）。 随着这两颗恒星向内盘旋接近，发射率将逐步上升，这就注定它们在 3 亿年后会彼此 相撞。　　天文学家估计，每个星系大约每 10 万年发生一次这类双星系统的合并事件。这种 天体密度非常大，引力场极强。在恒星碰撞前的最后时刻，它们将以每秒几千圈的速度 互绕转动，同时引力波的频率则急剧升高，并发出持有的吱吱声。爱因斯坦的公式预言， 引力的输出功率在这最后阶段中将是异常惊人的，而且轨道会迅速坍缩。恒星的形状会 因彼此间的引力牵拉而严重变形，因而在接触前的瞬刻，它们看上去就像一根急剧旋转 的巨型雪茄。最后的合并将是乱糟糟的，两颗恒星并合成一个复杂而疯狂跳动的团块，　　它会发出大量的引力辐射，到它安定下来之时已大致成为球形。这个球就像一个怪铃， 以一种特殊的振动方式摇晃、颤动。这种振荡也会产生引力辐射，这样就会进一步消耗 天体的能量，直至它最后安宁下来，变成毫无生气的天体。　　虽然引力辐射过程相对来说是缓慢的，但很可能对宇宙的结构具有深远的长期效 应。因此，科学家们力图通过观测来证实他们关于引力辐射的思想，而这一点是极为重 要的。对天鹰座中那个双中子星系统的研究表明，它们的轨道正在减小，而减小的速率 恰好与爱因斯坦理论的预言相一致。因此，这个系统提供了发射引力辐射的直接证据。 但是，更具有决定性意义的试验要求在地球上的实验室里探测到这种辐射。许多研究小 组已建造一些设备用以记录引力波爆发那稍纵即逝的信息，但到目前为止所有这类装置 都不够灵敏，无法探测到引力辐射；很可能我们只有在新一代探测器诞生之后才能完全 证实引力波的存在。　　两颗中子星的合并可能会产生一颗更大的中子星或者一个黑洞。一颗中子星和一个 黑洞的合并，或两个黑洞的合并，则必定产生一个黑洞，这一过程同样会伴有引力波能 量损失，接着是复杂的振颤或运动，而这种运动会因引力波能的损失而慢慢地衰减下去。　　探讨两个黑洞合并时所释放的引力能的理论极限是很有意义的。在 70 年代早期， 罗杰？彭罗斯（ Roger Penrose ）、霍金、勃朗顿？卡特（ Brandon Carter ）、雷莫？鲁菲尼（ Remo Ruffini ）、拉里？斯玛尔（ Larry Smarr ）和其他一些人已经完成了有关这些过程的理论工 作。如果两个黑洞有相同的质量，并且无旋转，那么能释放出大约 29% 的总静止质量 能。如果以某种方式对这两个黑洞加以巧妙的处理，那么这些能量不一定完全以引力辐 射的形式出现。但是，对于自然并合体，大部分能量就应当以这种极其难以察觉的形式 释放出来。如果黑洞以物理定律所允许的最大速度（粗略地说就是光速）在自转，而且 以反向旋转的方式沿着它们的自旋轴并合，那么就会有 50% 的质量能发射出来。　　即使有这么大的比例也还不是理论极限。可能存在带电荷的黑洞。一个带电黑洞既 有电场又有引力场，两者都可以储存能量。如果一个带正电的黑洞遇上另一个带负电的 黑洞，就会发生“放电”，在这一过程中所释放的不仅有引力能而且还有电磁能。　　事实上，给定尺度（或质量）的黑洞只能携带不超过某个极大值的电荷量，因此这 种放电存在某个极限。对无自转黑洞，这个极大值可由如下的考虑来决定。设想有两个 带有等量电荷的相同黑洞，黑洞的引力场会在它们之间产生吸力，而电场则产生斥力（类 似于电荷相斥）。当荷质比达到某个临界值时，这两种相反的力恰好平衡，于是在两个 黑洞之间便不存在净力。正是这个条件决定了黑洞可以包含的极限电荷量。你也许不知 道，如果设法增加黑洞的电荷使之超过这个极大值，将会发生什么情况。要做到这一点 的一种途径是强迫更多的电荷注入黑洞。这种做法会起到增加电荷的作用，但为克服电 斥力做功就要施加能量，这份能使传递给了黑洞。因为质能相当（记住 E ＝Mc2 ）， 黑洞的质量就增大，体积也随之变大。简单的计算表明，在这一过程中质量的增加要比 电荷增加得更多，结果荷质比实际上减少，而企图超过这个极限的努力终告失败。　　带电黑洞的电场对黑洞的总质量是有贡献的。对携带最大允许电量的黑洞来说，电　　场代表了一半质量。如果两个无自转黑洞都带有极大电荷，但电荷的符号相反，那么它 们彼此间存在两种吸引力：引力吸引和电磁吸引。当它们并合时，电荷中和，而电能就 能被提取出来。理论上说，它能达到这种系统总质量能的 50% 。　　如果两个黑洞都在自转，并带有极大相反电荷。那么所提取的能量便达到绝对上限。 这时，总质量能的三分之二可以释放出来，这个比例是很高的。当然，这种数值只有理 论上的意义，因为实际上黑洞不可能携带大量的电荷，两个黑洞也不可能以这种最佳方 式并合，除非有一个技术发达的社会能对它们实施巧妙的人为控制。然而，即使两个黑 洞的低效率合并也可能把这两个天体总质量能的可观部分几乎在瞬息之间释放出来。在 它好几十亿年的生涯中，恒星依靠核燃烧大约释发了百分之一的质量，相比之下可谓微 不足道。　　这些引力过程的意义在于，在恒星的核燃烧结束后，它的死亡之旅仍是漫漫无期的。 作为一个坍缩后的残骸，它还有潜力通过引力释放能量，而且远远超过当它还是个灼热 气体球时由热核过程所放出的能量。当这个事实大约在 20 年前被人们认识之时，物理 学家约翰？惠勒（ John wheeler ，他是最早提出“黑洞”这个词的人）设想有那么一个文 明世界，由于它们对能量的需求不断增加，结果便放弃了自己的恒星，并在一个自转黑 洞周围安居下来。每天，这个社会的废物被装上载重卡车，并通过一条经仔细计算过的 弹道送往那个黑桐。在接近黑洞时，卡车上的废物就卸下来倒入黑洞。通过这种方式， 废物便一劳永逸地处理掉了。下落的废物沿着与黑洞自转方向相反的路径飞行，它会影 响黑洞的自转，使自转速率稍稍减慢。于是，黑洞的自转能就释放出来，而文明世界便 可以利用它为自己的工业提供能源。因此，这个过程具有彻底销毁一切废物并把它们完 全转变成能量两大优点！文明世界可以在需要的时候通过这种方式，从死亡之星获取能 量，而且能量的供应要比恒星在核燃烧阶段所发出的大得多。　　虽然利用黑洞能是一种科学幻想，但是，许多物质将会在黑洞内自然地寿终正寝。 它们可以是坍缩恒星的一部分，也可以是偶然相遇而被吞食的碎片。凡是在我作黑洞讲 演的时候，人们老是要问进入黑洞的东西会发生什么情况。简单的答复是：我们不知道。 老实说，我们对黑洞的认识几乎完全基于理论考虑和数学模型。事实上，按黑洞的定义， 即使我们非常靠近黑洞来进行观测（这是做不到的），我们不能从外部世界观测到黑洞 的内部，也永远不可能知道它里面发生什么情况。然而，首先用来预言黑洞存在的相对 论，也可以用来预言宇航员在掉进黑洞时的经历。下面便是这种理论推测的大致情况。　　黑洞的表面实际上只是一种数学图象，那里没有真正的一层“膜”，而只是一无所有 的空间。那位下落中的宇航员在进入黑洞时，看不到任何在物理学意义上特别与众不同 的情景。但是，这个表面确实有着某种引人注目的物理学含义。黑洞内部的引力非常强， 能俘获光，也就是把向外跑的光子重新拉回来，这意味着光无法逃离黑洞。黑洞之所以 从外面看上去是黑的就是这个原因。因为没有一种物体或者信息可以比光跑得更快，所　　以任何东西一旦进入黑洞就没法逃出去。黑洞内所发生的事件对外部观测者来说永远是 个秘密。因此，黑洞的表面被称作“事件视界”，因为它把从远处可以目睹的外部事件与 不可目睹的内部事件分隔开来了。但是，这个效应仅是事情的一个方面。当宇航员进入 事件视界以内的区域，他仍然可以看到外部世界，尽管在外面的任何入永远也不能再见 到他。　　当宇航员越来越深入黑洞时，引力场变得更强了。有一种效应使他的身体变形。如 果他下落时脚在前面，那么他的双脚就比他的头更接近黑洞中心，因而脚所处的引力更 强些。结果、他的脚所受到的往下拉的力会比头部更利害，这样一来他就拉长了。与此 同时，他的双肩会沿着向中心会聚的方向拉向黑洞中心，所以他的两边便要受到侧向的 挤压。这种拉长和挤压的过程有时称作拉面过程（ Spagehitiffication ）。　　理论研究表明，在黑洞中心引力的增强是没有上限的。因为引力场表现为时空的弯 曲，或者说翘曲，所以随着引力的不断增强，时空扭曲也就无止境地越来越利害。数学 家把这种特征称作时空奇点。它代表空间相时间的边界（或者说边缘），穿过这个边界， 正常的时空概念不再连续。许多物理学家相信，黑洞内的这个时空奇点名副其实地代表 了空间和时间的终结，与它相遇的任何物质将会完全湮没。如果情况确实如此，那么组 成宇航员身体的原子其至会在 1 纳秒的超级拉面过程中在这个奇点内化为乌有。　　要是黑洞的质量为 1000 万个太阳质量，即与银河系中心可能存在的黑洞质量差不 多，那么，这位宇航员从事件视界向湮没奇点下落所经历的时间大约为 3 分钟。这最 后的 3 分钟会是很不舒服的。实际上，早在到达奇点之前，拉面过程就已把这个不幸 的人杀死了。在这最后阶段，他是无论如何也见不到那个即将完全毁灭他的奇点的，因 为光不可能从奇点逃逐出来。只有一个太阳质量的黑洞其直径大约为 1 公里，对于这 样黑洞，从事件视界到奇点的旅程只需要几微秒。　　虽然从这位下落宇航员的参考系来看，毁灭前的时间只是一瞬间，但从远处来看， 黑洞的时间扭曲使得宇航员最后的旅程表现为一种慢动作。当宇航员接近事件视界时， 在他附近事件发生的过程对遥远的观测者来说似乎变得越来越慢。事实上，宇航员似乎 必须要经过无限长的时间才能到达事件视界。所以，宇航员仅仅在一阵疾驰中便经历了 相当于外部宇宙中无穷无尽的时间，就这个意义上说，黑洞是通往宇宙尽头的门槛，是 一条宇宙死胡同，它代表了再也没有通路的最终实体。黑洞是包含了时间尽头的狭小空 间区域。谁要是对宇宙尽头感到好奇的话，只要跳进一个黑洞就可以得到亲身体验了。　　虽然引力是自然界最微弱的力，但是它在不知不觉中累积起来的作用不仅决定了单 个天体，而且也决定了整个宇宙的最终命运。压碎恒星的那种残酷无情的吸引力，同样 作用在尺度要比恒星大得多的整个宇宙上。这种万有引力的结局完全取决于产生引力的 物质总量。为此，我们必须称出宇宙的重量。　　第六章 给宇宙过磅　　人们常说有上必有下。引力对抛向天空的物体所起的作用是要阻止物体的飞行，并 把它拉回地球。但是，事情并不总是如此。如果物体的运动速度足够快，就可以完全摆 脱地球的引力，结果它就能飞入太空而永不返回。发射行星际空间飞船的火箭就能达到 这么高的速度。　　临界“逃逸速度”大约为每秒 11.2 公里（每小时 4 万公里），这相当于协和式飞机 速度的 20 倍以上。临界速度可以从地球的质量（地球所包含的物质的数量）和半径导 出。对一定质量的物体来说，直径越小，表面引力越大。脱离太阳系意味着要克服太阳 的引力。太阳的逃逸速度为每秒 16.7 公里。想要脱离银河系向外逃逸就得有每秒几百 公里的速度。在另一个极端，如对于中子星一类致密天体，逃逸速度为每秒几万公里， 而对黑洞来说逃逸速度就是光速（每秒 30 万公里）。　　脱离宇宙的速度有多大呢？在第二章中我已指出，宇宙看来没有边界，也就无从逃 离。不过要是我们暂且假定有这样的边界，而且它处于我们的观测极限处（约离我们 150 亿光年），那么，逃逸速度大约要达到光速。这是一个极有意义的结果。因为大多数遥 远的星系看上去正在以接近光的速度远离我们退行，要是就取这个数值，那么星系看上 去正在以很高的速度向远处运动，因而实际上它们恰好可以“逃离”宇宙，或者至少它们 是在相互远离，并且“永不返回”。　　事实上，膨胀宇宙尽管没有十分明确的边界，它的行为却同地球上抛起的物体十分 类似、如果膨胀速度足够大，退行中的星系就会克服宇宙中所有其他物质的总引力而逃 逸出去，于是膨胀将会永远持续下去。另一方面，如果膨胀速度太低，膨胀最终会停下 来。接着宇宙便开始收缩。那时，星系将再次“掉回来”。随着整个宇宙的坍缩，按理而 来的便是宇宙的最后一次大灾难。上述两种景象中我们面临的是哪一种呢？答案取决于 两个数字的较量。一方面是膨胀速度，另一方面是宇宙的总引力，后者实际上就是宇宙 的重量。吸引力越大，宇宙必须膨胀得越快才能将之克服。天文学家可以直接从红移效 应对第一个量加以测定。我在第一章中已经解释过，这个答案仍然存在某种争议，所以 在撰写本书之时保守— 点说，现在所知道的数值可能有上下 1 倍的误差。但是，第二 个量的问题就要大得多了。　　怎样称出宇宙的重量呢？这个问题看上去令人束手无策。很清楚，我们不可能直接 做到这一点。然而，我们也许能借助引力理论来推算出它的重量。要得出这个值的下限 并不难。从太阳对行星的引力可以称出太阳的重量。我们知道，银河系包含大约 1000 亿 颗其质量类似太阳质量的恒星，这就大致给出了星系质量的下限值。现在我们可以估计 宇宙中一共有多少个星系。把它们逐个累加起来是不可能的，因为数目太大了。但是，　　一种合理的估计是 100 亿个。于是就得出总重量为 1021 太阳质量，或者说约 1048 吨。 只要知道这个星系超级大家庭的半径，我们便可计算宇宙逃逸速度的极小值：答案是约 为光速的百分之一。由此我们可以得出这样的结论：如果宇宙的重量仅仅来自恒星，它 便可以解脱自身引力的束缚，永恒地持续膨胀下去。　　许多科学家对此确信无疑，但不是所有的天文学家和宇宙学家都相信这样求和的办 法是正确的。我们看到的物质同实际存在的物质相比，显然估计过低，因为宇宙中的天 体并不都是发光的。诸如暗星、行星和黑洞一类的暗天体，大多数我们都没有注意到。 更有大量的尘埃和气体，它们绝大部分都难以察觉。此外，也难以想象星际空间完全空 无一物，那里也许有大量稀薄的气体存在。　　然而，这几年来一种更有吸引力的可能性激起了天文学家的浓厚兴趣。宇宙起源于 大爆炸，而大爆炸不仅是我们所看到的一切物质的本源，也是我们现在看不到的许多物 质的本源。如果宇宙最初是一种灼热的亚原子粒子汤，那么除了人们所熟悉的电子、质 子和中子（它们构成了你、我以及我们周围的其他普通东西）之外，也必然生成过粒子 物理学家最近才在实验室内识别出来的所有其他各种粒子，而且数量很大。人们发现这 些其他种类粒子中的大多数是很不稳定的，很快就发生衰变，但有一些也许便作为原初 宇宙的遗骸而留存在今天的宇宙中。　　在这些遗骸中主要是中微子，现已证实这种幽灵般的粒子在超新星中极为重要（见 第四章）。据我们迄今所知，中微子不能衰变成任何别的东西（实际上，有 3 种不同类 型的中微子，它们之间也许能相互转变，不过这里我们不考虑这种复杂情况）。因此成 们认为宇宙应当沉浸在大爆炸留下的宇宙中微子海洋中。只要假定大爆炸的能量对所有 各类亚原子粒子均分，就能计算出总共应有多少个宇宙中微子。由此，得出的结果是大 约每立方厘米空间有 100 万个中微子，或者说每立方分米约有 10 亿个中微子。　　我始终对这个惊人的结果极感兴趣。在任意给定的时刻，你的身体里就有大约 1000 亿个中微子，它们几乎全是大爆炸的遗骸，并且自最初存在的 1 毫秒以来就保存了下 来，而且基本上没有受到任何破坏。因为中微子以光速或接近光速的速度运动，它们闪 电般地穿过你，结果每秒钟就有 1 万亿亿个中微子穿透你的身体。由于中微子与普通 物质间的作用极为微弱，完全可以忽略不计，因此这种不停顿的侵袭丝毫不为我们所察 觉，而且在你的一生中甚至可能没有一个中微子会留在你的身体里。尽管如此，在看上 去似乎空无一物的宇宙空间里有这么多中微子存在，这对宇宙的最终命运具有深远的影 响。　　虽然中微子的相互作用异常微弱，但它们确实与所有的粒子一样会产生引力。它们 或许并不直接对周围的其他物质产生推和拉的作用，但有可能证实它们的间接引力效应 对增加宇宙的总重量是至关重要的。为确定中微子的贡献有多大，必须对它们的质量作 一番了解。　　以快速运动的粒子来说，质量是个难以捉摸的概念。那是因为物体的质量并不是一 个固定不变的量，而是取决于物体的速度。例如，如果 l 千克的铅球以每秒 260000 公 里的速度运动，便会重 2 千克。这里的关键因素是光速。物体的速度越接近光速，它 的质量就越大，而且质量的这种增大是没有极限的。因此为了不至发生混淆，物理学家 在谈到亚原子粒子的质量时，都是指静止质量。如果粒子以接近光的速度运动，它的实 际质量也许是它的静止质量的很多倍。例如，在大型粒子加速器内部，作回旋运动的电 子和质子的质量可达到它们静止质量的好几千倍。　　至于重力，它是实实在在的，而不是算出来的静止质量。尽管中微子的静止质量可 能非常小，但由于中微子以接近光的速度运动，它们也许有很大的质量。事实上，它们 甚至可能有零静止质量，而运动的速度正好等于光速。达时，它们的实际质量必须根据 它们的能量来确定，而对于残留下来的宇宙中微子来说，后者又可以通过理论计算从在 大爆炸中所获得的能量推导出来，同时必须考虑宇宙膨胀的衰减效应并加以修正。这种 做法所得出的具有零静止质量的中微子对宇宙的总重量并没有重大的贡献。　　另一方面，我们不能肯定中微子确实具有零静止质量。从理论上说，我们今天对中 微子的认识并不诽除它具有有限的静止质量。因此，这就变成了一个需要判别究竞是哪 一种情况的实验问题。第四章中已经提到，如果中微子有静止质量，那么它肯定是非常 小的，要比其他任何已知粒子小得多。但是，宇宙中有这么多的中微子，即使是微小的 静止质量也会使字宙总重量发生重大变化。这是一个需要仔细权衡的问题。即使质量小 到电子（已知最轻的粒子）质量的万分之一，也足以产生重大的影响：中微子的总质量 会超过所有恒星的总重量。　　要探测这么小的静止质量十分困难，实验得出的各种结果既混乱而又相互矛盾。碰 巧，人们探测到了超新星 1987A 发出的中微子，它提供了一条重要的线索。如果中微 子有零静止质量，那么所有的中微子必定都以严格相同的速度（光速）运动。另一方面， 如果中微子有很小的非零静止质量，那末速度可能就有个范围。超新星发出的中微子可 能具有很高的能量，所以即使它们确实具有非零静止质量，也会以非常接近光的速度运 动。但是，因为这些中微子要在太空中作长时间的旅行，即使有微小的速度变化。也会 引起到达地球的时间上的变化，而这种变化是可以测量出来的。研究来自超新星 1987A 的中微子在时间分布上的跨度，可以得出中微子静止质量的上限为电子质量的三万分之 一。遗憾的是情况要比这来得复杂，因为已经知道存在着不止一种中微子。大多数有关 静止质量的测定工作都是指泡利最初假定的那种中微子，但自从这类中微子发现以来， 已经找到第二种中微子，并推断有第三类中微子存在。所有这三类中微子在大爆炸中都 会大量地产生出来。直接确定另外两类中微子的质量范围是很困难的。实验表明，可能 取的数值范围依然很宽。不过最近理论学家的流行观念正转为反对中微子可能在宇宙质 量中占主导地位。但是，这种观念可能得容易被新的中微子质量实验测定结果所推翻。　　问题的复杂性还不止这些，因为在谈到对宇宙重量的估计时，中微子并不是唯一可 能存在而应加以考虑的宇宙遗骸。大爆炸时还会产生其他稳定的弱相互作用粒子，也许　　它们会有相当大的质量（如果质量太大，粒子就无法产生了，这是因为产生高质量粒子 需要大量的能量）。它们通称为弱相互作用重粒子（ Weakly InteractingMassive Particles， 缩写成 WIMP）。事实上，理论学家已经有了一份假设的弱相互作用重粒子检验单，它 们有着堂吉诃德式的名字，如引力微子，希格斯微子以及光微子。没有人知道它们是否 真的存在，但如果确实存在的话，它们可能会对宇宙重量的确定起关键性的作用。　　值得注意的是，也许有可能通过弱相互作用重粒子与普通物质相互作用的方式来直 接检验这类粒子的存在。这种相互作用预期是很弱的，但由于弱相互作用重粒子的质量 较大，这使它们能有比较大的活力。英国科学家已在英格兰东北的一座盐矿里设计了一 项实验，以期发现通过那儿的弱相互作用重粒子。假定宇宙中充满弱相互作用重粒子， 那么任何时到都会有数量极大的这类粒子穿过我们身体（还有地球）。这项实验的目标 是令人吃惊的：要探测出一个弱相互作用重粒子击中原子核时所发出的声音！　　实验用仪器由放在致冷系统中的锗晶体或硅晶体组成。如果有一个弱相互作用重粒 子击中晶体内的一个原子核并与之相互作用，它的动量便会引起原子核的反冲。这种突 如其来的冲击产生一种很弱的声波，也就是晶体振动。随着波向外传播，它会衰减下来 并转变成热能。这项实验的设计就是要探测与这种衰减声波联系在一起的极小的热脉 冲。由于晶体冷却到接近绝对零度，探测器对注入的任何热能极为敏感。　　理论学家猜想，银河系沉浸在一大群呈团块状而运动又较为缓慢的弱相互作用重粒 子之中，粒子的质量介于 1 个质子质量到 1000 个质子质量之间。当太阳系在银河系 中作轨道运动时，会扫过这种看不见的海洋。如果粒子的典型速度为每秒几千公里，那 么地球上每 l 千克物质每天所能散射的粒子数可多达 1000 个。如果这正是事件的发 生率，弱相互作用重粒子的直接探测应当是可行的。　　在继续设法猎取弱相互作用重粒子的同时，天文学家也正在着手处理宇宙称重的问 题。一个天体即使看不见（或听不到），它的引力效应仍然会表现出来。例如，天文学 家由于察觉土星轨道受到一未知引力源的扰动而发现了海王星。绕亮星天狼星转动的暗 白矮星天狼 B 也是通过这条途径发现的。因此，只要监视可见天体的运动状况，天文 学家也可以建立起任何不可见物质的图象（我已经说明了这种方法如何使人们猜测到天 鹅 X-1 中可能有黑洞存在）。　　最近一、二十年间，人们仔细研究了银河系内恒星运动的方式。银河系并不是静止 的，而是在缓慢地转动。恒星绕银心转动的典型时间尺度超过 2 亿年。银河系的形状 很像一个盘子，银心附近聚集着大量的恒星，银盘里包含了更多的恒星、气体和尘埃。 因此，粗略地说情况同太阳系相类似，后者是行星绕太阳旋转。在太阳系内，水星和金 星这类内行星比土星和海王星这类外行星要转得快，这是因为内行星受到的太阳引力更 强。你也许会以为这个规律也适用于银河系，即银盘外部区域恒星的运动速度应比银盘 中央的恒星要慢得多。　　然而观测结果并非如此。在整个银盘内恒星的运动速度大致相同，其解释只能是银 河系的质量毕竟不是都集聚于其中央，而是一定程度上表现为平均分市。因此，看上去 银河系质量好像集中在中央这一事实表明发光物质仅仅反映了部分实际情况。很明显， 存在大量的暗物质或不可见物质，它们中的大部分分布在银盘的外围，从而加快了这部 分区域内恒星的运动速度。甚至很可能暗物质的主要部分分布在发光银盘可见边缘之外 以及银道面外侧，它们以一种不可见的大质量晕的形式包围着银河系，并延伸至遥远的 星际空间。在其他星系中也观测到了类似的运动图像。要是用太阳的质量和亮度间的关 系，从星系可见区域的亮度可以推算出它的质量；而测量表明，平均来说显示的质量比 它们亮度所反映的质量大 10 倍以上，在最外部区域甚至高达 5000 倍。　　对星系团内全部星系运动状况的研究也得出了相同的结论。很清楚，如果星系运动 得足够决，它将会摆脱星系团的引力束缚。如果团内所有星系的运动都这样快，这个星 系团便会很快瓦解，后发座内有一个由几百个星系组成的典型星系团，人们已经对它作 过深入细致的研究。后发团星系的平均速度实在太大了，以致这个星系团无法长期存在， 除非那里要有比亮物质质量至少多 300 倍的物质。因为一个典型星系穿越后发星系团 只要花 10 亿年左有的时间，所以到现在为止已有充足的时间使这个星系团瓦解。但这 种情况并没有发生，星系团的结构从各个方面给人的印象表明它是一个引力束缚系统。 很明显，那儿存在某种形式的暗物质，而且数量很大，正是这些暗物质影响了星系的运 动。　　对宇宙更大尺度结构的仔细研究进一步说明了可能存在着不可见物质。这种结构是 以星系团和超星系团集结在一起的方式出现的。我在第三章中已经提到，星系分方的方 式使人想起泡沫，它们成串排列，形成纤维结构，或蔓延开来形成巨大的薄片。它们包 围着一些硕大无朋的巨洞。如果没有暗物质的额外引力作用，这样一种泡沫状的成团结 构在自大爆炸以来的这段时间内是不可能出现的。但是，直到撰写本书之时，还无法借 助任何简单形式的暗物质，通过计算机模拟来产生观测到的泡沫结构，这可能意味着需 要某种复杂的混合型暗物质。　　最近，科学界的注意力集中在用一些奇异的亚原子粒子作为暗物质的候选者。但是， 暗物质以较为常见的形式存在也是可能的，如行星尺度的物质或者暗桓星。这类暗天体 可能数量非常之大，它们在我们周围的太空中漫游，只是我们对这一事实毫无察觉且不 以为然。近来，天文学家找到了一种方法，它能揭示没有受可见天体引力束缚的暗天体 的存在。这种方法利用了爱因斯坦广义相对论所得出的一项结果，这就是引力透镜。　　这种思想基于引力可使光线发生弯曲这一事实。爱因斯坦预言，如果一束星光从太 阳附近通过，它就会发生少量的弯曲，导致恒星在天空中的视位置发生位移。在同一天 体附近有无太阳的情况下，比较这颗恒星的位置就可检验这个预言。1919 年，阿瑟？爱 丁顿（ Arthur Eddington ）首先做了这种检验，并出色地证实了爱因斯坦的预言。　　图 6-1引力透镜大质量天体（图中用一个球表示）的引力使远方光源 S 射来　　的光线发生弯曲。在适当的条件下这个作用会产生聚焦效应。焦点上的观测者会看到天 体周围出现一个光圈。　　引力透镜同样使光线发生弯曲，这样可以使光线聚焦而成像。如果某个引力天体对 称性很好，它就能起到透镜的作用，可以使逐远光源射来的光线聚焦。图 6-1 表明了 这种情况。从源 S 来的光线落到球形天体上，天体的引力使它周围的光线弯曲，并把 光线引向另一侧的焦点。这种弯曲效应对多数天体而言是很微弱的，但在天文学距离尺 度上，即使光在路途中发生微小的弯曲最终也会产生一个焦点。如果这个天体位于地球 和遥远的 S 源之间，那么这一效应会使 S 的像大大地增亮，或在一些特殊情况下视线 方向恰到好处，便会表现为一个明亮的光圈，称为爱因斯坦圈。对形状比较复杂的天体， 透镜效应很可能会产生多重像，而不是单一的聚焦像。天文学家在宇宙学尺度上已经发 现若干个与大质量星系有关的引力透镜，它使遥远的类星体形成多重像。此外还发现了 一些因透镜作用由类星体形成的光弧和完整的光圈。这种情况的出现是因为居间星系同 类星体差不多恰好位于同一视线方向上。　　对于暗行星和低光度白矮星，如果它们恰好位于地球和某颗恒星之间，就应当出现 透镜效应，而天文学家便可搜索能揭示这种效应的信号。当暗天体穿过视线时，恒星像 的亮度会以一种特有的方式表现出时强时弱的变化。虽然天体本身还是没能看见，但是， 从透镜效应可以推断它的存在。一些天文学家正在试图用这种技术来搜索银晕中的暗天 体。尽管与遥远的恒星恰好位于同一视线方向上的概率非常非常小，但如果在那里有足 够多的暗天体，就应当能观测到引力透镜效应。　　黑洞也会起到引力透镜的作用，这方面已经做了广泛的搜索，以利用河外射电源（透 镜对射电波的作用方式与光波相同）来确定黑洞个数的范围。结果发现可能的候选天体 为数甚少，由此给人以这样的印象：用恒星或星系级质量的黑洞来解释存在大量暗物质 是不大可能的。　　但是，并非所有的黑洞都会在透镜效应普查工作中显示出来。很可能大爆炸后不久， 早期宇宙盛行的极端条件有利于微黑洞的形成，它们也许不会比原子核大。这种天体的 质量应当等于一颗小行星的质量。许多质量可以以这种形式隐藏起来，它们遍布于整个 宇宙，而我们却观测不到。令人惊讶的是，甚至有可能通过观测来确定这些怪异实体的 数量范围，其理由涉及称为霍金效应的一种现象，我将在第七章中对此作出解释。简单 地说，微黑洞的爆发可能表现为一阵荷电粒子雨，爆发是在经历一段确定的时间之后发　　生的，而时间的长短则取决于黑洞的大小：黑洞越小，爆发得越早。小行星质量的黑体 将在 100 亿年后爆发，也就是说大约就发生在今天。这种爆发的一个效应是要产生突 发性的射电脉冲，对此射电天文学家一直在进行检测。因为连一个有希望的脉冲也没有 探测到，由此得出的结论是，每立方光年空间每 300 万年只能发生一次爆发。这意味 着至少就小行星质量大小的微黑洞而言，它们只占宇宙质量的很小一部分。　　总的来说，不同天文学家所估计的宇宙暗物质数量各不相同。可能的情况是，暗物 质与发光物质的质量比至少为 10 比 1 ，有时也援引 100 比 1 这类比值。令人吃惊 的是，天文学家居然不知道宇宙主要由什么东西组成。他们长期以来认为宇宙的主要成 分是恒星，结果发现恒星只占了宇宙总质量中相当小的一部分。　　对宇宙学家来说，关键问题是有没有足够的暗物质能阻止宇宙膨胀。如果能够的话， 暗物质的数量与可见物质之比必定更接近 100 倍而不是只有 10 倍。虽然实际情况或 许恰恰如此，但这毕竟只是一个纸面上的数值。由于宇宙的最终命运完全取决于这一答 案，因而人们寄希望于对暗物质的搜寻会很快给出孰是孰非的明确答案。　　与此同时，一些理论学家相信，只要通过计算就有可能估计宇宙的重量，而无需直 接进行困难重重的观测工作。有一种传统信念认为，人类仅仅依靠合理推理的能力便有 可能对宇宙的奥秘作出预测，这可以追溯到古希腊哲学家。在科学时代，有些宇宙学家 一直企图根据一套深奥的原理，系统地导出一些数学公式，从这些公式应当可以得出数 值确定的宇宙的质量。特别诱惑人的那些体系就是根据某种数灵学公式来确定宇宙中粒 子准确数目的。这种学究式的冥思苦想一直没有得到大多数科学家的赞同，虽然它们也 许很有诱惑力。但是，近年来开始流行一种比较令人信服的理论，因为它对宇宙质量作 出了某种明确的预言。这就是第三章讨论过的暴胀演化图象。正如前面所解释的那样， 暴胀理论有一项预言涉及宇宙的膨胀速度，其结论接近于观测值。事实上，这项预言比 观测值更精确。暴胀相的效应会把宇宙恰好推到临界膨胀速度，结果宇宙正好摆脱自己 的引力，并永恒膨胀下去。因此，暴胀理论预言，宇宙所包含的恰好就是临界物质重量， 而宇宙便处于继续膨胀和重返坍缩的分界线上。　　就今天的知识水平而言，我们还无法断定宇宙会不会永远膨胀下去。如果它再次收 缩，问题便在于这将会在什么时候发生。答案完全取决于宇宙重量超过临界重量究竟有 多少。如果超过百分之一，那么在大约 1 万亿年后宇宙将再次收缩；如果超过百分之 十，收缩会提早到 1000 亿年后发生。　　如果暴胀理论是正确的话，它同上述问题之间的关系是很有趣的。当然，这种理论 的描述是理想化的。严格地说，暴胀相必须延续无限长时间才能达到这个临界值。实际 上这个阶段所经历的时间非常短。因此，宇宙的实际质量会比这一临界值稍大一些，或 者稍小一些。对前一种情况，坍缩最终总要出现。暴胀理论中很奇怪的一点在于向这个 临界值的逼近，是按指数规律极快进行的，这意味着在经过一段极短时间的暴胀之后， 宇宙实际上所具有的重量已非常接近这个临界值。因此，宇宙遥远的未来与爆炸后第一　　秒钟时间内暴胀行为的具体细节有着非常密切的关系。　　为了引入一些数字，可能的情况是暴胀相开始于大爆炸之后仅 10-34 秒。在第三章 中我把这段时间称之为一个滴答。暴胀可能延续几百个滴答，然后就结束了。由于时间 有限，暴胀必定是不充分的，随后所产生的宇宙其重量非常非常接近而又不完全等于临 界值。如果实际重量比临界值来得大，那么经过漫长的岁月，宇宙会再次收缩。　　按指数规律迅速逼近临界值这一事实，意味着宇宙的寿命取决于暴胀相的寿命，而 且后者对前者的影响十分敏感。粗略地说，要是暴胀每多坚持一个滴答，宇宙开始再收 缩前所经历的时间就会增加 1 倍。因此，譬如说 100 个滴答的暴胀导致宇宙在 1000 亿年后再收缩，那么 101 个滴答会使再收缩发生在 2000 亿年以后，而 110 个滴答的 暴胀暗示收缩发生在 102400 亿年以后，依此类推。因为我们对宇宙暴胀是 100 个滴 答还是 1000 个滴答一无所知，所以也无法肯定经过多长时间宇宙才开始收缩。但是很 明显，这大概总是发生在未来某个很遥远的时刻。除非在数字上出现某种特别的巧合， 否则再收缩的时刻应当与我们人类在宇宙中出现并生存下来的时间无关。所以我们可以 预料，如果再收缩会发生的话，也只会经过漫长的时间之后才会发生，这段时间是目前 宇宙年龄的许多倍。如果情况确实如此（它还取决于暴胀理论所用的方法是正确的）， 那就是用我们最好的天文观测仪器也无法确定宇宙的重量究竟在临界值的哪一侧。在这 种情况下，人类永远不会知道自己所居住的宇宙有着怎样的最终命运。　　第七章 悠悠岁月　　对无限来说很重要的一点是它并不仅仅是一个很大的数。无限与那种只是大得出 奇，甚至大得令人无法想象的事物有着完全不同的质的差别。设想宇宙永无终结之日， 它能永远存在下去，就意味着应当有无限长的寿命。如果情况确实如此，那么任何物理 过程，不管它发展得多么缓慢，或出现的可能性多么的小，都必定有发生的一天。这好 比一只猴子在打字机上乱敲，只要一直打下去，最终总会打出威廉？莎士比亚的杰作来。　　我在第四章中已经讨论过的引力波发射现象就是个很好的例子。只有对那些最激烈 的天文过程来说，以引力辐射形式损失的能量才会产生显着的变化。地球绕太阳的轨道 运动会引起大约 1 毫瓦功率的发射，它对地球运动的影响非常非常小。但是，即使流 失功率只有 1 毫瓦，只要延续几万亿年甚至更长的时间，最终也会使地球沿螺旋式的 运动轨道落到太阳上。当然，在此之前地球很可能早就被太阳吞食掉了。然而，问题是 一些发展得非常慢，因而对人类时标来说可以忽略不计的过程，只要持之以恒，最终总 会取得支配地位，从而决定物理系统的最终命运。　　让我们想象在非常非常遥远的未来，譬如说 1 亿亿亿年以后的宇宙状态。那时恒 星早已燃烧完毕，宇宙一片黑暗。但是，宇宙并非空无一物。在一片漆黑的浩瀚太空中 潜伏着许多带自转的黑洞、离散的中子星和黑矮星，甚至还有一些行星级天体。在那个 时代，这类天体的密度是极低的，宇宙已膨胀到现有尺度的 1 亿亿倍。　　引力会竭尽全力进行一场奇特的战斗。膨胀中的宇宙力图使每个天体同其邻居间的 距离拉开，而天体相互间的引力吸引则起相反的作用，力图使天体团聚在一起。结果是， 天体的某些集团，如星系团或经过数十亿年结构退化后权充的星系，仍然被引力束缚在 一起，但这些集团与它们邻近集团间的距离一直在越走越远。这场争斗的最后结局取决 于膨胀速度减速过程的具体情况。宇宙中物质的密度越低，越是会促使这些天体集团摆 脱开它们的邻居，自由自在地各奔东西。　　在一个引力束缚系统内，缓慢然而却不可抗拒的引力过程发挥了它们的优势。引力 波发射虽然很微弱，但不露形迹地在消耗着系统的能量，结果便造成一种缓慢转动的死 亡旋涡。死亡的恒星以渐进的方式非常缓慢地接近其他的死星或者黑洞，接着大规模地 相互吞食并结合在一起。通过引力波辐射使太阳绕银心的轨道运动衰退下去需要 1 亿 亿亿年时间，结果是表现为一个黑矮星残骸悄无声息地滑向银心，在那里有一个巨大无 比的黑洞正等待着把它吞食掉。　　但是，死亡了的太阳并非一定会以这种方式接受自己的葬礼。因为当它慢慢地向内 漂移时，偶尔也会遇到其他一些恒星。有时它会接近一个双星系统—— 被引力作用紧紧 拥抱而锁在一起的一对恒星。接下来的一段时间涉及到称为引力弹弓的一种奇特现象。　　处在互绕轨道上的两个天体所表现的运动方式之简单是很典型的。正是这类问题使开普 勒和牛顿为之着迷，并促成了现代科学的诞生，他们所研究的是行星绕太阳的转动。在 理想情况下，同时不考虑引力辐射，那么行星的运动是规则的，而且是周期运动。不管 你等待多久，这颗行星会在完全相同的轨道上一直运动下去。但是，如果有第三个天体 存在，譬如说一颗恒星和两颗行星，或者三颗恒星，情况就完全不同了，这时不再是简 单的周期性运动。三个天体间相互作用力的图象总是以一种复杂的方式在不断地改变。 结果，系统的能量并不是均分给它的各个成员，即使对完全相同的天体也不例外。相反， 出现的是一场复杂的舞蹈，在这场舞蹈中，一个天体先获得最大的能量份额，接着便轮 到另一个天体。经过很长时间之后，系统的行为可以是完全随机的：事实上，引力动力 学的三体问题是所谓混沌系统的一个很好的例子。其中两个天体碰巧会结成一帮，并把 它们的大部分能量赋予第三个天体，结果后者便会一下子完全弹出这个系统，就像弹弓 射出的弹子一样。引力弹弓这个名称便由此而来。　　这种弹弓机制可以把恒星抛出星团，或脱离整个星系。在遥远的未来，绝大多数死 星、行星和黑洞会通过这种方式被抛入星系际空间，它们也许会遇到另一个正在瓦解中 的星系，或永远漫游在膨胀着的浩瀚太空之中。但是，这个过程是缓慢的：所需的时间 是今天宇宙年龄的 10 亿倍。相反，剩下百分之几的天体会向星系中心移动，并合并而 形成一些巨大的黑洞。　　正如第五章中所解释的那样，天文学家有很好的证据表明，在某些星系中心已经存 在有大黑洞，它们正贪婪地吞食作涡状转动的气体，其结果是释放出巨大的能量。总有 一天，等待大多数星系的会是这种疯狂的吞食，并一直持续到黑洞周围物质或者被吸食 一空，或者被逐出星系。然后，这个吃饱了的黑洞便会保持宁静状态，只是偶尔窜入一 些游荡的中子星或小黑洞。但是，这决不是黑洞故事的终结。 1974 年，英国数学物理 学家霍金发现，黑洞毕竟不是完全黑的；相反，它们在发射一种微弱的热辐射辉光。　　要想完全理解霍金效应只能依靠量子场论，这是物理学中一门深奥的分支学科，在 第三章涉及到大爆炸的暴胀理论时我已隐隐提到过。回忆一下，量子理论的一条基本定 则是海森伯不确定原理。根据这一原理，量子的所有属性都不具有非常确定的数值。例 如，就某一特定时刻来说，光子或电子都不可能具有确定的能量值。在日常的工程领域 里能量是守恒的，而在亚原子量子范畴能量可以变化，这种变化自发地出现，而且不可 预见。所考虑的时间间隔越短，这种随机量子涨落就越大。事实上，粒子可以“借贷” 能量，只要它马上偿还就行。能量借贷得越多，偿还也就越快。　　在第三章中我已经解释过，能量不确定性导致某些奇特的效应，诸如在表观上空无 一物的空间中存在着短寿命粒子，即虚粒子。它们瞬现即逝，寿命极短。由此便引出了 “量子真空”这一陌生的概念。量子真空完全不同于真空，它充满了生机：翻腾不已的虚 粒子在永无止息地运动着。虽然通常情况下这种活动不会引人注目，但是它可以引起一 些物理效应，如真空活动由于引力场的存在 而受到扰动时便会出现这类效应。根据爱 因斯坦广义相对论，引力场表现为空间的翘曲，或者说弯曲。当我们考虑到空间中存在　　虚粒子活动时，在虚粒子登台表演的空间中，空间翘曲便会明显地影响虚粒子的具体活 动过程。一种极端情况发生在黑洞附近。这时，出现在黑洞外面的虚粒子可以在它再消 失之前穿过黑洞表面进入黑洞。这会引起通过海森伯不确定原理借贷能量的计量系统发 生混乱，因为在黑洞外部借到的能量还到了黑洞内部，而反之亦然。因此，能量可以从 黑洞传递给它附近的某个虚粒子，并且永不返回黑洞，从而完全还清了海森伯债务，并 使虚粒子变成实粒子。于是，这个粒子便可以自由自在地飞向任何地方。霍金发现，这 种量子混乱的结局是粒子会在黑洞附近创生出来，而且其中许多粒子会远远地飞离黑洞 环境。　　霍金效应只对微黑洞来说是重要的。因为虚电子在它的借贷还清之前最多可移动约　　10-11 厘米，要使电子（以及正电子）能得以创生，所适用的仅仅是核尺度或更小尺度 的黑洞。但是，虚光子的情况就不同了。虚粒子的寿命，以及它在消失前可渡越的距离 都取决于它的能量。对一个电子来说，它有某种最小能量，即由静止质量所代表的能量　　（请记住 E = mc2 ）。但是，光子具有零静止质量，因此它的能量要有多低就有多低，　　这意味着任何尺度的黑洞都会创生光子。但是，诸如一个太阳质量的黑洞只会产生极低 能量的光子。在那种情况下霍金效应是非常微弱的。　　这里用非常微弱这个词是毫不夸张的。霍金发现，黑洞产生的能谱和热物体的辐射 能谱是相同的，因而可以用温度来表示霍金效应的强度。对核大小尺度的黑洞（ 10-13 厘 米）来说，温度是很高的，约为 100 亿开。作为比较，一个太阳质量的黑洞的尺度约 为 1 公里，因而其温度比绝对温标千万分之一度还低。这样一个天体的全部霍金辐射 不超过一千亿亿亿分之一瓦。　　霍金效应的奇特性质之一是随着黑洞质量和尺度的减小，其辐射温度变得越来越 高。这意味着小黑洞的温度比大黑洞来得高。黑洞在辐射过程中要损失能量，因而也就 损失质量，于是黑洞便收缩。结果它变得更热，更为强烈地发出辐射，因此收缩得也更 快。这个过程就其内禀性质来说是不稳定的。随着黑洞以越来越快的速率发射能量和收 缩，它最终便进入失控状态。　　要是完全相信霍金效应，那么它便预言所有的黑洞最终会在一阵快辐射中一下子消 失掉。这最后的时刻应当是壮观的，就像一颗大型原子弹爆炸，在突然发出一阵短暂而 强劲的热能之后，一切便化为乌有。这至少是霍金理论所推断的结果。但是，一些物理 学家并不乐意接受一个有形天体会坍缩成黑洞，转而又消失殆尽，留下的只是热辐射。 他们担心很不相同的两个天体在寿终正寝之际所产生的热辐射却是完全相同的，没有留 下有关原始天体的任何信息。这种消失行为同受人珍爱的所有各种守恒定律相违背。另 一种建议是蒸发黑洞遗留下一小片残骸，它以某种方式包含了大量的信息。不管哪种结 果，黑洞的绝大部分质量总是以热和光的形式辐射掉。　　霍金过程之慢几乎令人难以置信。一个太阳质量的黑洞要花 1066 年时间才会消 失，而一个超大质量黑洞所需的时间则超过 1093 年。更有甚者，这种过程要在宇宙背　　景温度低于黑洞温度之时才会开始，在这之前从周围宇宙空间流进黑洞的热量会超过通 过霍金效应从黑洞向外流出的热量。目前，大爆炸留下的宇宙背景热辐射大约是绝对温 标 3 开，要进一步冷却到使一个太阳质量的黑洞有净热量损失需要 1022 年。霍金过 程不是坐等可见的事情。　　尽管永远这个词是一段漫长的时间，但只要永远发展下去，一切黑洞，即使是超大 质量黑洞，都可能会消失。它们的死亡是痛苦的，但只是漆黑的宇宙永恒夜幕中一道道 瞬现即逝的闪光，一种一闪而过的象征性墓志铭，上面记载着以往曾经存在过 10 亿颗 辉煌的太阳。　　留下的是些什么呢？ 并非所有的物质都会掉进黑侗。我们必须考虑到中子星、黑矮星及那些孤独飘泊在　　浩瀚无垠的星系际空间中的离群行星；更何况还有那些从来不曾凝聚成恒星的稀薄气体 和尘埃，以及在恒星系统中到处乱跑的那些小行星、彗星、流星体和古里古怪的岩石块。 这些东西能永恒地存在下去吗？　　这里我们遇到了一些理论上的困难。我们必须知道原始物质—— 构成你、我以及地 球的原材料—— 是否是绝对稳定的。决定最终命运的关键在于量子力学。虽然通常情况 下量子过程所涉及的对象是原子系统和亚原子系统，但量子物理学的定律适用于一切事 物，包括宏观物体。尽管大物体的量子效应极其微弱，但经过很长时间以后，这些效应 仍然可以引起一些重要的变化。　　量子物理学的特征标记是不确定性和概率。在量子领域，除了赌博式的可能性之外， 任何东西都是不确定的。这意味着如果一个过程不管怎么说总会有可能发生，那么无论 这种可能性有多小，只要有足够长的时间它最终总是会发生的。我们可以以放射性为例 来观察这个规律如何发挥作用。铀 238 核几乎是完全稳定的，但是它有很小的概率会 释放一个 a 粒子并嬗变成钍。更确切地说，如果给定一个铀原子核，那么它在单位时 间内会有某种很小的概率发生衰变。平均说来，大约 45 亿年发生一次。但是，因为物 理学定律要求单位时间某种固定的概率，任意给定的铀核最终肯定要发生衰变。　　发生 a 放射性衰变的原因是组成铀原子核的粒子（质子和中子）在位置上有很小 的不确定性。同样，固体中原子的精确位置其不确定性就更小了，但仍并不为零。例如， 金刚石上的一个碳原子处于晶体内非常确定的位置上，并且在宇宙遥远的未来其温度接 近绝对零度时，这个位置也是极其稳定的。但情况并不完全如此，碳原子的位置总是存 在着微小的不确定性，这意味着存在微小的概率使碳原子有可能自发地跳出它在晶格中 的位置，并出现在另外某个地方。由于这种移动过程，没有一样东西是真正坚固不变的， 即使硬如金刚石那样的物质也不例外。相反，表观上的固态物质就像是一种超粘滞液体， 在漫长时间里它可以通过量子力学效应发生流动。物理学家弗里曼？戴森（ Freeman Dyson ）曾估计过，大约 1045 年以后不仅每块仔细切割过的金刚石会变成球珠，而且每　　块岩石也同样会发生形变而成为光滑的球。　　要是时间更长，量子不确定性还会导致核嬗变。例如，考虑金刚石晶体中两个相邻 的碳原子，其中一个碳原子在非常偶然的机会下会自发地发生位移，结果使它的核在一 瞬间内恰好出现在相邻那个原子的核的附近。这时核引力就有可能使这两个核子发生聚 变而形成镁原子核，所以核聚变不一定要求很高的温度。冷核聚变是可能的，但它需要 的时间之长令人难以置信。戴森曾估计过，在 101500 年（也就是 1 后面有 1500 个零！） 之后，所有的物质将以这种方式擅变成最稳定的原子核，即元素铁。　　但是，可能的情况是核物质无论如何也不会存在这么长时间，这是因为另有一些嬗 变过程尽管这些过程慢得出奇，但相比之下进行得会快一些。戴森的估计中假设质子（和 束缚于核内的中子）是绝对稳定的。换句话说，如果一个质子不落入黑洞，也不受到其 他形式的干扰，那么它将永恒存在下去。但是，我们能肯定情况确实如此吗？在我的学 生时代，没有人会怀疑这一点。质子是永恒的，它们应该是完全稳定的粒子。但是，关 于这一点始终存在着一个令人困惑的疑问，它涉及到称为正电子的粒子。除了像质子一 样带有正电荷外，正电子与电子是完全相同的。正电子比质子轻得多，因此所有其他方 面都与正电子相同的质子应当更愿意嬗变成正电子（这是一条深奥的物理学原理，即物 理系统力图达到它们的最低能态，而低质量即意味着低能量）。因为没人知道为什么质 子并没有简单顺利地发生这样的嬗变，物理学家便简单地假设存在某种阻止这类事件发 生的自然规律。直到最近，对这个问题还完全没有很好的理解。不过，在 70 年代未出 现了一种关于嬗变方式的较为清晰的图象，而各种力就是通过这种方式激励粒子按量子 力学规律互相嬗变。最近的一些理论都作为某种公设用到了这条阻止质子衰变发生的定 律，但其中大多数理论也预言这条定律并非百分之百地有效。可能存在着非常非常小的 概率，会使某个质子事实上嬗变成一个正电子。　　在某种最简单的理论模型中，质子发生衰变所需的时间平均为 1028 年，这是宇宙 目前年龄的 1 百亿亿倍。因此，或许你会猜想，质子衰变这一课题应当属于某种纯学 究式的好奇性。但是，必须记住这是个量子力学过程，因此事实上它的内禀性质具有或 然性： 1028 年是预期的平均寿命，并不是每个质子的实际寿命。只要有足够的质子， 就会有很大的机会使其中一个质子在你眼皮底下发生衰变。事实上，如果有 1028 个质 子，那么你可以预期大约每年发生一次质子衰变，而只要 10 千克物质就包含有 1028 个质子。　　很巧，这种理论还没有流行，这么长的质子寿命就已被实验所否决。但是，其他版 本的这类理论给出了更长的寿命—— 1030 或 1032 年，甚至更长（某些理论预言长达　　1080 年）。前者较低的寿命值正好还可以通过实验来加以检测。例如， 1032 年的衰变 时间意味着在你的一生中或许会通过这种方式在你身体内失去 1 个或 2 个质子。但 是，怎样来探测如此罕见的事件呢？　　所采用的技术是贮存数以千吨计的物质，用能被质子衰变事件产物触发的高灵敏度　　探测器在几个月内对它们进行连续监视。遗憾的是，这样搜寻质子衰变有如大海捞针， 因为质子衰变会被宇宙线产物所产生的数量多得多的类似事件所淹没。地球不断地受到 宇宙高能粒子的轰击，它们产生某种亚原子粒子背景，并且永远存在。为了减小这种影 响，实验不得不在很深的地下进行。　　这样的一个实验设备安置在美国俄亥俄州克利夫兰附近的一个盐矿里，它深入地下　　600 米。这台设备由装有 10000 吨极高纯度水的方形水罐和周围的一些探测器组成。 之所以选择水是因为水是透明的，这样探侧器便能同时“看到”尽可能多的质子。实验的 思想是这样的：如果一个质子以当前流行的理论所预言的方式发生衰变，那么除了产生 一个正电子以外，还会产生一个称为中性 p 介子的粒子，这个 p 介子接着很快衰变成 两个能量很高的光子，即 ? 射线。最后，当这些 ? 射线遇到水原子核时，会产生能量 很高的电子和正电子对。事实上，这些最终的带电粒子所具有的能量非常高，因此，它 们会以接近光的速度运动。　　光在真空中的速度为每秒 30 万公里，这是任何粒子可能具有的运动速度的极限。 现在水的存在使光的速度慢了一些，大约为每秒 23 万公里。因此，以接近每秒 30 万 公里速度穿越水的高速亚原子粒子实际上比光在水中跑得更快。当一架飞机的速度超过 音速时，会产生某种轰鸣声。类似地，如果一个带电粒子穿过某种介质的速度比光在这 种介质的传播速度更快时，就会产生某种特殊的电磁激波，称为切伦科夫辐射，它是以 俄国发现者的名字命名的。因此，俄亥俄实验设置了一套光敏探测器，用以搜索切伦科 夫闪烁。为了把质子衰变事件同宇宙射线中微子和其他虚假的亚原子粒子区别开来，实 验特别要寻找背对背的成对切伦科夫光脉冲，这是一种与众不同的信号。其物理图象是， 当一个 p 介子衰变时，它发出一对方向相反的 ? 射线光子，然后这些光子又会在各自 的飞行方向上产生电子－正电子对。　　遗憾的是，工作了几年之后，俄亥俄实验装置没能找到令人信服的有关质子衰变的 证据。到撰写本书之时，其他不同的实验也没有得到任何结果。这可能意味着质子没有 衰变。另一方面，它也可能意味着质子是会衰变的，不过它们的寿命要长于 1032 年。 要想测定比这更慢的衰变率已超出现有实验的可能范围，因而关于质子衰变的问题也许 得留待可以预见的将来才会作出判断。　　作为这一故事的结束语，我应该提及的是，虽然质子衰变实验没有达到它们的主要 目标，但正是这些实验无意中检测到了超新星 1987A 发出的中微子，这一点我在第四 章中已经讨论过了。因此，努力并没有白费。科学上往往如此，寻找某一种东西却导致 另一个意外的发现。　　搜寻质子衰变的实验曾在大统一理论工作的刺激下风行一时，其目的是企图统一强 核力（把质子和中子束缚在原子核内的力）、造成 ? 衰变的弱核力及电磁力。质子衰变 的出现应当是这些力巧妙混合的结果。不过，即使这种观点被证明是错误的，质子仍有 可能通过另一条途径发生衰变，这条途径涉及自然界的第四种基本力—— 引力。　　为弄清引力如何引起质子衰变，必须考虑这样一个事实，即确切来说质子并不是点　　状基本粒子。它实际上是由 3 个称为夸克的更小粒子所构成的组合体。在正常组态中， 质子的大小约为十万亿分之一厘米，这是 3 个夸克的平均间距。但是，基于量子力学 的不确定性，夸克并不保持静止状态，而是不停地改变它们在质子内的位置。两个夸克 有时会相互靠得很近。所有 3 个夸克也会自行跑到一起，彼此间靠得非常近，当然这 种情况就更为罕见了。通常情况下，这些夸克间的引力作用是完全可以忽略不计的，但 一旦它们靠得很近，引力就可能较所有其他力的作用更占优势。如果发生这种情况，这 些夸克就会合到一起，形成一个微小的黑洞。实际上，质子是在它自引力作用下通过量 子隧道效应发生坍缩的。由于霍金过程，这样生成的微黑洞是非常不稳定的，迟早会一 下子蒸发掉，而最可能的结果是衰变成最轻的带正电荷的粒子—— 正电子，再加上其他 粒子。对质子通过这种途径发生衰变的寿命所作的估计是很不确定的，其范围从 1045 年到 10220 年，后者实在是个惊人的数字。　　如果质子确实在经过一段极其漫长的时间后会发生衰变，那么这个结果对宇宙遥远 的未来有着深远的影响。所有的物质都将是不稳定的，它们最终都会消失。像行星那样 的固态天体，即使未遭落入黑洞之劫，也不会永恒存在。相反，它会慢慢地逐渐蒸发掉。 质子的寿命，譬如说取 1032 年，那就意味着地球每秒钟失去 1 万亿个质子。按照这 一速率，大约在 1033 年以后，我们的行星假如还没有被其他某种东西毁掉的话，实际 上到那时也已完全消失殆尽了。　　中子星不受这个过程的影响。中子也由 3 个夸克组成，并可通过类似导致质子死 亡的那种机制嬗变为更轻的粒子（孤立的中子在任何情况下都是不稳定的，大约在 15 分钟内就发生衰变）。只要时间足够长，白矮星、稀薄的气体云、岩石、尘埃、彗星以 及所有其他各种天体都会因同样的原因而死去。我们今天在整个宇宙中所观测到的普通 物质有 1048 吨，这些物质都会因落入黑洞，或者通过缓慢的核衰变而消失。　　当然，在质子和中子发生衰变时，会生成衰变产物，所以宇宙的物质未必都一点也 留不下。例如，前面已经提到，质子的一种可能的衰变途径是生成一个正电子和一个中 性 p 介子。这个 p 介子很不稳定，很快会衰变成两个光子，或可能衰变成电子－正电 子对。无论哪种情况，质子衰变的结果总是使宇宙逐渐获得越来越多的正电子。物理学 家相信，宇宙中带正电荷的粒子（现在主要是质子）总数与带负电荷的粒子（主要是电 子）数量相等。这意味着一旦所有的质子都衰变，出现的将是一种由数量相等的电子和 正电子组成的混合体。正电子是电子的所谓反粒子。反粒子的含义是指，如果正电子遇 到电子，它们就彼此对消。从物理学上来说，它们是互相湮没而消失。这是一个在实验 室里就能研究的过程，而且并不困难。这种湮没以光子形式释放能量。　　人们已经完成了一些计算，以图确定宇宙在遥远的未来所留下的正电子和电子是否 会完全互相湮没掉，或是否总是会留下少许残余。湮没不是突如其来发生的。相反，电 子和正电子首先自行组合而形成一种微原子，称为偶电子素。它们相互间在电吸引力束　　缚下，环绕它们的公共质心作轨道运动，跳起一场死亡之舞。然后，两个粒子作旋涡式 运动，并碰到一起而发生湮没。它们旋到一起所需要的时间取决于偶电子素“原子”形成 时的大小。在实验室里，偶电子素发生衰变所经历的时间远远小于 1 秒。但在外部空 间，由于几乎不受任何干扰，电子和正电子可以在巨大的轨道上束缚在一起。一些估计 表明，对大部分电子和正电子来说，形成偶电子素需要 1071 年，但在大多数情况下， 它们的轨道直径会有好几万亿光年！粒子的运动非常缓慢， 100 万年才移动 1 厘米。 这时电子和正电子的行动变得极为滞呆，完成旋入过程所需的时间为 10116 年，这是一 个令人惊讶的数字。不过，这些偶电子素原子从形成之时起就已注定了它们的最终命运。　　奇怪的是，并非所有的电子和正电子都必定会湮灭。在电子和正电子寻找它们异性 伙伴的全部时间内，这些粒子的密度逐渐下降，这一方面是因为发生了湮没，同时也因 为宇宙在不断地膨胀。随着时间的推移，偶电子素的形成变得越来越困难。所以，尽管 少量残留下来的物质变得越来越稀少，但它们永远也不会完全消失。尽管每个电子或正 电子都孤立地分布在体积不断膨胀着的空间中，但在某个地方总能找到它们。　　在这些慢得令人难以置信的过程完成之后，宇宙会呈现什么样的图象呢？现在我们 可对此作一番描述了。首先，会存在大爆炸留下的残余，也就是始终存在的宇宙背景。 它由光子和中微子组成，也许还会有目前我们尚不清楚的其他一些完全稳定的粒子。随 着宇宙的膨胀，这些粒子的能量会不断减小，直到形成某种完全可以忽略不计的背景。 宇宙中的普通物质已经消失。所有的黑洞都已蒸发。黑洞的大部分质量变成了光子，不 过一部分质量也会以中微子形式出现，而在最后爆炸中发射出来的极小部分质量会以电 子、质子、中子和一些较重粒子的形式存在。这些较重的粒子会很快衰变，而中子和质 子的衰变要慢得多，结果留下来的是少量的电子和正电子，还有其他一些粒子，它们便 是我们今天所看到的普通物质在最后时刻剩下的残留物。　　因此，在非常遥远的将来，宇宙应当是一锅薄得令人难以置信的稀汤，其中有光子、 中微子及数量在逐渐减少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动，彼此间分离 得越来越远。这是荒凉而又空虚的宇宙，它已走完了自己的历程，但所面临的仍是永恒 的生命，或更恰当而言是永恒的死亡。就我们所知，任何基本物理过程再也不会发生了， 也就是说不会再出现任何重大事件来打破宇宙那空虚荒凉的状态。　　这种寒冷、黑暗、毫无特征而又近乎空无一物的凄惨景象差不多等同于说现代宇宙 学导出了 19 世纪物理学的“热寂”说。宇宙退化到这种状态所需要的时间之长超出了人 类的全部想象力。然而这只不过是无限时间长河中的无穷小一部分。永久之长，长不可 测。　　虽然宇宙的衰退过程要经历很长很长的时期，超过了人类的各种时标，因而实际上 对我们是毫无意义的。可是人们仍然急于想问：“我们的后裔将会怎样？缓慢降临而却 又必然发生的宇宙未日会不可避免地把他们毁灭掉吗？”科学对遥远未来宇宙的预言是 有点令人失望的。要是情况果然如此，那么看来任何形式的生命最终必然都在劫难逃。　　不过，死亡并非那么简单。　　第八章 慢道上的生命　　1972 年，一个名为罗马俱乐部的团体对人类的未来发表了一项令人沮丧的预测。 他们预言了许多迫在眉睫的灾难，其中一项就是全世界的石油供应将会在二三十年内宣 告枯竭。人们惊恐不安，油价暴涨，替代性能量的研究也开始盛行。今天我们已处于 90 年代，还没有任何迹象表明石油即将会消耗殆尽，惊恐不安又为心安理得所取代。遗憾 的是，简单的计算表明，对于有限的资源来说，能量危机迟早总会来临。关于地球上的 人口，也可以得出类似的结论：它不能永远持续地增长下去。　　某些耶利米们相信，下一次能量危机和人口过剩危机会彻底断送人类。可是，没有 必要把石油的消失与人类的绝迹混为一谈。我们周围到处存在着大量的能源，问题在于 我们要有利用它们的愿望和能力。最引人注目的是太阳光，它的能量对我们的需求来说 绰绰有余。一个棘手的问题是应当控制人口的增长，从而不致于发生大规模的饥荒。这 要求采取社会的、经济的和政治的手段，而不仅仅是科学的手段。但是，如果我们能够 克服因石油耗尽而引起的能源瓶颈效应，如果能够稳定世界人口的增长，如果对地球的 生态破坏能够加以限制，那么我相信人类肯定会昌盛繁荣。不存在任何明显的自然规律 会限制我们人类的繁衍。　　在前一章中我描述了经过令人难以置信的漫长时间后，作为一些慢物理过程的结 局，宇宙的结构将怎样发生变化，而这种变化通常是朝着退化方向发展的。人类的存在 充其量也大约只有 500 万年（这取决于对人类的定义），人类（就某种形式的）文明仅 仅只有几千年。今后地球应当还可供人类居住 20～30 亿年，当然这是对于有限的人口 而言。这是一段极长的时间跨度，长得令人无法想象，长得好像（实际上就是）无限长。 但我们已看到，即使是 10 亿年，同发生在天文学和宇宙学意义上的总体变化所需要的 巨大时间尺度相比，也只不过是极短的一瞬间。 10 亿个 10 亿年后，在银河系的其他 某个地方或许仍然存在类似的地球，从而成为可供人类居住的场所。　　毫无疑问，我们可以推测我们的后裔有十分充裕的时间供他们支配，去发展空间探 测技术和各种现人所不可思议的技术。在太阳把地球烤枯之前，他们有充裕的时间撤离 地球。他们可以一个接一个地寻找适宜居住的行星，并且不断地继续下去。事实上，要 是不离开地球，世界人口在任何时候都不太可能超过 100 亿左右。一旦扩展到空间， 人口也可以增加。要知道我们在 20 世纪为生存下去而作的斗争最终也许并非徒劳无 益，这一点会使我们得到安慰吗？　　在第二章中，我描述了伯特兰？罗素因对热力学第二定律的结论怀有黯然消沉的心 情，故而在描绘人类的存在对太阳系未日到来这一事实一筹莫展时的言辞凄惨悲凉。他 显然认为，我们居住的场所看来不可避免要走向毁灭，而这又必然会使人类的生命变得 毫无意义，甚至滑稽可笑。这种信念肯定影响到他的无神论。如果罗素知道黑洞的引力　　能可以比太阳的作用高出好多倍，并且能够在太阳系瓦解后持续数以万亿年计的时间， 那么他的感觉会好一点吗？可能井非如此。这并不是计算实际持续时间的问题，而是事 实上宇宙迟早会变得不适宜人类居住，结果使某些人认为我们的存在是毫无意义的。　　根据第七章我对宇宙遥远未来的叙述，也许可以认为一个更不安稳、更为恶劣的环 境简直是难以想象的。但是，我们不必陷入沙文主义或悲观主义。毫无疑问，人类在由 稀薄的电子－正电子汤所组成的宇宙中安顿自己的生活时会有一段艰难时期，但重要的 问题肯定不在于我们种族本身能否永垂不朽，而是我们的后裔能否幸存下来。而且，我 们的后裔也不太可能是今天意义上的人类。　　地球上出现人类这个种族是生物进化的产物。但是，我们自己的活动正在迅速地改 变这种进化过程。我们已经干预自然选择的作用，设计出变种的可能性也变得越来越大。 我们也许很快就能通过直接控制遗传密码来设计出具有特定属性和体形特征的人类。所 有这一切只是发生在技术社会的这几十年时间内。请想象一下几千年、甚至几百万年后， 科学和技术能取得何等巨大的成就。　　还有，就在这几十年的技术发展中，人类已经能离开地球，进入近地空间去探险。 在今后几十亿年内，我们的后裔可以远离地球，进入宽广的太阳系，然后还可以飞往银 河系内别的恒星系统。人们常常会有这种错误概念，即这类计划会花费近乎无限长的时 间。然而情况并非如此。移民工作可能会通过行星短途飞行不断地进行下去。移民者会 离开地球，移居到几个光年远某个适合居住的行星上。如果他们能以接近光的速度飞行， 那么这种旅行只需要几年时间。但是，即使我们的后裔永远无法超过光速的百分之一（这 个目标并不过分），那么旅行时间也就只是几个世纪。完成一颗行星的实际移民工作同 样也需要几个世纪时间，到那个时候移民者会考虑派遣他们自己的移民探险队去另一个 更远的适合居住的行星。再过几百年，这下一颗行星就好移民了。就这样不断地继续下 去。这正是波利尼西亚人迁往南太平洋群岛的移民方式。　　光大约只需要 100 万年就可横越银河系。所以，如果以百分之一光速的速度旅行， 则穿越银河系需要 1 亿年。即使一路上有 100 万个行星作为移民驿站，而每一处花费 两个世纪用以建站，也只相当于使银河系移民的时间尺度增长一倍。但是，用天文学标 准甚至地质学标准来衡量， 2 亿年是一段很短暂的时间。在大约 2 亿年时间内太阳仅 仅环绕银河系转了一圈，而地球上生命存在的时间至少比它长 16 倍。太阳变老从而威 胁到地球也只是在 30 或 40 亿年以后的事—— 在 2 亿年内几乎不会发生任何变化。 结论是，就技术社会而言，我们的后裔只要用地球上生命进化所经历时间中的一小段就 可实现在银河系内的移民工作。　　我们这些移民后裔会是什么样的呢？如果允许我们自由地想象，可以推测这些移民 者也许通过遗传工程很容易就能适应目标行垦。举一个简单的例子，假设在波江 e 星 附近发现一颗类似地球的行星，又发现在它的大气中氧气只占 10% ，那么移民者可以 借助遗传工程方法产生更多的红血球。如果此行星的表面重力比地球大，他们可以有更　　强健的躯体和更坚硬的骨骼，等等。完成这种旅行即使要花费几个世纪时间，途中的供 应也不成问题。宇宙飞船可以造得像一个方舟—— 一个完全有自我维持能力的生态系 统，以满足好几代旅行者的需要。当然，另一种方法是在旅途中对移民者们实施深度冷 冻。事实上，更理智的做法是，只派出一只小型飞船和一小队船员，而在货物中则包括 数以百万计的受精卵。在到达目的地后即可将它们孵化，由此立即可提供一大批人，这 样就没有因长时期运输大量成年人所带来的后勤问题和社会问题。　　让我们对或许可能出现的情况作一番推测，如果有着非常充裕而漫长时间，那么这 些移民者在外表甚至在智力上都没有理由应当和人类一样。如果人类可以借助遗传工程 方法去适应各种不同的需要，那么每次探险都能涉及到一些人为任务而特意设计的生命 实体，它们应该具有必要的解剖学结构和心理学素质。　　这些移民者甚至也许不是通常定义的普通生命有机体。现在已经能够做到把硅片微 处理器置入人体。这种技术的进一步发展将能预见到由有机部件和人造电子部件组成的 某种混合体，它兼有生理功能和大脑功能。例如，也许有可能为人类大脑设计一种类似 现代计算机上所用的“可插式”外存贮器。相反，或许很快可以证明，用有机物质来完成 计算工作，要比现在所做的以生产固体器件来完成计算任务更为有效。实际上，将来有 可能通过生物学的方法来“培育”计算机部件。对于许多计算任务来说，神经网络将来更 有可能超过数字计算机；事实上这已经开始出现了。在那种情况下，从小片大脑组织来 培育有机神经网络要比从头开始制造这种网络具有更好的感官能力。或许也有可能建造 有机网络和人造网络构成的共生混合体。随着纳米技术的发展，生命体和无生命体，天 然物和人造物，大脑和计算机之间的区别会变得越来越模糊。　　今天，这种种想法还只属于科学幻想的范畴。它们能够成为科学现实吗？不管怎么 说，我们能够想象的事并非都意味着必定会发生。但是，我们可以把适用于自然过程的 同样原理用于技术过程：只要有足够长的时间，任何能够发生的事必将会发生。如果人 类或他们的后裔一直保持充分的能动性（这可能是一个大胆的设想），那么技术将只受 物理规律的约束。像人类基因组计划这样的一种挑战，或许会使一代科学家望而却步， 但只要有 100 代，1000 代，或者 100 万代科学家来从事这项工作，计划的完成应当 就不成问题了。　　让我们乐观地设想人类会一直生存下去，并继续不断地朝着技术发展的极限迈进。 那么，这对于宇宙探险又意味着什么呢？制造出特意设计的智能人将会开创这样一种可 能性：派遣代理人进入迄今为止完全不适合人类居住的场所，以完成今天无法想象的任 务。虽然这种智能人或许是始于人类技术的最后产物，但不论从哪种直接意义上来说， 他们都不算是人类。　　我们应该为这种奇异实体的命运忧心忡忡吗？好多人也许会对人类可能被这种怪 物所取代的前景抱有反感情绪。如果生存下去意味着人类将让位于遗传工程造就的混合 有机机器人，人们也许宁可选择灭绝。然而，如果人类让位的可能性使我们感到沮丧的　　话，那么我们必然要问我们希望而且可以忍受的人究竟是什么。肯定不同于我们的形体。 要是知道从现在起，比如说经过 100 万年后我们的后裔，可能没有脚趾，或者腿较短， 或头和脑袋较大时，这会使我们感到不安吗？无论如何，在过去几个世纪里我们的形体 毕竟已有不少变化，而且在不同的种族群之间现已存在很大的差别。一定要我讲的话， 我认为多数人会更珍视那种也许可称为人类精神的东西，即我们的文化，整套社会标准、 特有的精神性格，这样的例子在我们的艺术成就、科学成就和智力成就上都随处可见。 这些东西肯定值得保护和流芳百世。如果我们能把人类的基本属性传给我们的后裔，则 不论他们的形体如何，便已达到最完美的生存下去的状态。　　当然，是否有可能创造出将来要向宇宙进军并穿越宇宙的“类人生物”的问题在很大 程度上只是一种推测。撇开任何别的不谈，人类有可能对实施这类宏伟计划缺乏能动性， 或由于经济、生态或其他方面的灾难，我们可能会在真的要离开地球之前就已过早地死 亡。甚至可能外星人类领先了我们一大步，并且已经向大多数适宜居住的行星进行了移 民（不过显然不包括地球—— 现在还没有）。但是，不管是我们的后裔还是某些外星人 种的后裔，有某种智慧生物向宇宙各个角落传播，并通过技术手段逐渐掌握如何控制宇 宙的这种可能性是十分令人神往的，而这种超级人类应当怎样同宇宙缓慢退化作斗争的 问题也是非常吸引人的。　　在第七章中讨论过了物理衰变的持续时间，这段时间是极为漫长的，要是企图根据 今天地球上的趋向加以外推来猜测在极其遥远的未来可能会有什么样的技术，那么任何 这样的企图都是徒劳的。有谁能想象出 1 万亿年后的技术社会呢？看起来好像任何事 情也许都能办得到。然而，任何技术不论怎样先进，大概还是要受基本物理规律的制约。 举例来说，如果相对论所作的关于任何物体都不能超越光速的结论是正确的话，那么即 使技术发展 1 万亿年，冲破这道光速屏障的努力终将归于失败。更严重的是，如果一 切有意义的活动都要消耗一点能量的话，那么一个技术社会无论有多先进，宇宙中可资 利用的自然能源的不断减少最终将会对这个社会构成严重的威胁。　　要是把基本物理原理应用于最广泛定义下的智慧生物，我们便可来研究遥远未来的 宇宙退化是否会对他们生存造成任何真正的基本障碍。一种生物要想取得智慧生物的资 格，它至少要有处理信息的能力。思考问题和取得经验这两者都是涉及到信息处理的那 些活动的例子。那么，这对宇宙的物理状态会提出什么要求呢？　　信息处理的一个特征是要消耗能量。我现在在打印这本书所用的文字处理机必须与 电源相连接，理由就在这里。每条信息消耗的能量与热力学因素有关。当处理机的工作 温度与环境温度相仿时消耗最小。人的大脑和大多数计算机的工作效率是很低的，它们 要消耗大量额外的热能。例如，人脑产生出相当大一部分体热，而许多计算机需要专门 的冷却系统来保护它们不被熔毁。这种余热的起因可以追究到作为信息处理基础的实际 逻辑线路，后者对于清除信息是必不可少的。例如，要是有一台计算机在执行 1＋2＝3 的计算，这时两条输入信息（1 和 2）被一条输出信息（3）所置换。一旦计算完成，计 算机也许会把输入信息清除掉，其结果是一条信息取代两条信息。事实上，为防止存储　　器堆满信息，计算机不得不随时清除掉这种多余的信息。清除过程按定义是不可逆的， 因此就牵涉到熵的增加。因此，基于这个最基本的理由，信息的收集和处理由于它们活 动的结果，看来必然会按不可逆的方式把可供利用的能量消耗殆尽，并使宇宙的熵增加。　　戴森认真地考虑了下述情形，也就是仅仅出于对某智慧生物社会需要以一定速率消 耗能量的前提假定的考虑，则在宇宙朝热寂状态冷却的过程中它们所面临的问题。第一 个约束是这种生物的温度必须比他们所处环境的温度更高，否则余热不会从他们身上向 外流出。其次，物理系统向周围环境辐射能量的速率受物理定律的限制。很明显，如果 这种生物产生余热的速度要比排除余热来得快，那么它们是不能长期工作的。这种生物 必然要消耗能量，而上述要求对能量消耗的速率规定了某个下限。因此，一个最基本的 要求是必须存在某种自然能源，以补充这种为维持生命所必须的热外流。戴森的结论是， 所有这类能源在宇宙遥远的未来注定会越来越少，因而所有的智慧生物最终还是要面临 能量危机。　　现在有两种延长智慧生物寿命的方法。一是应当尽可能长地活下去，另外是要加快 思考问题和取得经验的速度。戴森作了一个合理的假设，即智慧生物对时间流逝的主观 感受取决于他们处理信息的速率：处理的机制运行得越快，每单位时间内这种生物的思 维和知觉就越多，时间也好像过得越快。罗伯特？福雷沃德（ Robert Foreword ）在他的科 幻小说《龙蛋》（ Dragon's Egg ）中，以引人入胜的手法运用了这个假设。它讲的是生活 在中子星表面上的某个有理智生物社会的故事。这些生物是靠核过程而不是化学过程来 维持他们的生存。由于核相互作用要比化学相互作用快几千倍，中子星生物对信息的处 理速度也就快得多。人类时标的 1 分钟等价于他们的许多年。这种中子星社会在同人 类第一次接触时是相当原始的，但每一分钟它都在发展，很快便超过人类社会。　　遗憾的是，采用这种策略作为在遥远将来生存下去的手段有一个缺陷：信息处理得 越快，能量消耗速率也越大，因而可利用能源耗尽得也越快。你也许以为这必然会导致 我们后裔未日的来临，不管他们采取何种形体也无法避免。但情况并非一定如此。戴森 已经指出，可以有某种巧妙的折衷方案，使这个社会逐渐减慢它的活动速率，以做到与 宇宙的衰退相匹配。一条途径是使这种社会进入体眠状态，以不断增加时间长度。在每 个休眠阶段中，从前一个活动阶段的努力得来的热可以慢慢地加以消耗，而有用的能量 就累积起来，以便在下一个活动阶段中予以利用。　　采用这一策略意味着这种生物的主观感受时间在实际流逝时间中所占的比例越来 越小，因为这种社会的休眠期总是变得越来越长。但是，我曾强调指出过，永久之长， 长不可测，我们不得不与相反的两个极限作斗争：资源趋于零而时间趋于无穷。戴森对 这两个极限作了简单的研究后指出，即使总的资源有限，总的主观时间也可以为无限。 他引用了一项令人大吃一惊的统计结果：人口水平与今天人类社会相当的某个生物社 会，只需 6×1030 焦耳的总能量就可永远维持下去，而这仅仅是太阳在 8 小时内的能 量输出！　　但是，真正的永垂不朽要比对处理无穷多信息的能力的要求更高。如果一个人的大 脑状态的数目有限，那么他只能思考有限数目的不同思维。如果永远维持这种情况，则 意味着翻来覆去地重复相同的思维。这样一种生存方式看来是毫无意义的，就同注定要 灭亡的物种所处的情况一样。要避开这条死胡同，这个社会或单个超人必须在尺度上永 远不断地扩大。这对非常遥远的未来提出了严峻的挑战，因为物质的消散将比物质能被 收罗来作为大脑材料来得更快。也许一个绝望然而却很聪明的人会企图利用那些难以捉 摸却又永恒存在的宇宙中微子去扩大他的智力活动范围。　　戴森所作的许多讨论，以及对遥远未来智慧生物命运的绝大多数推测，实际上是假 定这些生物的精神活动过程始终归结为某种数字计算过程，毫无疑问，数字计算机是一 种有限状态的机器，因此它所能达到的状态数有着严格的极限。但是，还有另外一种称 为模拟计算机的系统。计算尺就是这类系统的一个简单例子。连续调节滑尺就可进行计 算，而在理想化情况下，这可以有无限多种状态。因此，模拟计算机便摆脱了数字计算 机的某些限制，即只能贮存和处理有限数目的信息。如果仿照模拟计算机的工作方式对 信息进行编码，如用物体的位置或角度来编码，那么这种计算机的能力看上去好像就没 有限制了。所以，如果某个超人可以像模拟计算机那样工作，那么他也许不仅能进行无 限多个思维，而且可以进行无限多个不同的思维。　　遗憾的是，我们并不知道就整体而言宇宙是像一台模拟计算机还是像一台数字计算 机。量子物理学认为，即使整个宇宙归根结蒂也应当是“量子化”的，它的所有属性都表 现为离散的跳变，而不是连续的变化。不过这纯粹是推测。实际上我们也并不理解大脑 的精神活动和物质活动之间的关系。也许不可能以这里所讲的方式用一些简单的物理因 素把思维和经验联系起来。　　不论精神的本性如何，不容置疑的是，遥远未来的生物将面临最终的生态危机：一 切能源为宇宙所消耗。尽管如此，通过“节衣缩食”，看来他们仍有可能达到某种永垂不 朽。按照戴森描绘的演化景象，他们的活动对宇宙的影响会越来越少，而宇宙对它们的 需求则漠然置之，毫不关心。他们应当无限长地处于不活动的休眠状态，保持然而却并 不增加他们的记忆力，同时几乎一点也不干扰寂静黑暗的垂死宇宙。但是，借助巧妙的 组织他们仍能够进行无限多个思维，感受无限多个经验。我们还能希望什么呢？　　宇宙热寂是我们时代经久不衰的神话之一。我们已经看到，罗素和其他一些人是怎 样根据热力学第二定律的预言，抓住宇宙看上去必然要退化的结论来支持由无神论、虚 无主义和绝望观念组成的一种哲学思想。随着对宇宙学理解的深化，我们今天能够描绘 出一幅多少有所不同的图象。或许宇宙正在逐渐衰退，但它不会消亡。热力学第二定律 肯定适用，但它不一定会妨碍文明的永垂不朽。　　事实上，也许情况甚至并不会像戴森描绘的那么糟。迄今为止，我一直假定宇宙在 膨胀和冷却时或多或少会保持均匀性，但这可能并不正确。引力是许多不稳定性的根源， 而且今天我们所见到的宇宙的大尺度均匀性在遥远的将来会被某种较为复杂的结构所　　取代。例如，膨胀速度在不同方向上的微小差别可能会被放大。巨黑洞也许会因它们相 互间的引力战胜宇宙膨胀的弥散效应而集聚成团。这将导致一场奇特的争斗。请记住黑 洞越小则越热，蒸发得也越快。如果两个黑洞并合在一起，所生成的黑洞就变大，因而 温度就会下降，而蒸发过程将大为减慢。凡是谈及宇宙遥远的未来，关键问题在于黑洞 并合的速率是否足以跟得上黑洞的蒸发速率。如果跟得上，那么总会有一些黑洞始终存 在，它们可以通过霍金辐射提供有用的能源，为人类社会所开发提取，以维持他们的生 活而无需休眠。物理学家唐？佩奇 （ Don Page ）和兰德尔？麦基（ Randall Mckee ）的计算表 明，这场争斗就像在走钢丝，关键问题取决于宇宙在不断衰退的过程中膨胀速度究竟有 多大。但是，在某些模型中，并合的确最终取得了胜利。　　戴森还忽略了这样一种可能性，即我们的后裔自身会尽力修正宇宙的大尺度结构， 以使他们能一直生存下去。约翰？巴罗（ John Barrow ）和弗兰克？蒂普勒（ Frank Tipler ）曾考 虑过一些方法，由此一个高度发达的技术社会也许能稍稍调整恒星的运动，以便巧妙地 造成某种对他们自己有利的特定的引力安排。例如，可以利用核武器给小行星的轨道以 少量的摄动，于是来自行星的一次弹射式推动能使它撞向太阳。碰撞产生的动量会使太 阳在银河系里的轨道发生极其微小的变化。尽管这种效应很小，但具有累积性：太阳走 得愈远，偏差便愈大。假如要使太阳向另一颗恒星接近，那么经过许多光年的距离后， 这种偏差就能导致具有决定性意义的差别，使原本蜻蜒点水般的相遇发生改变，从而极 大地修正了太阳在银河系内的运动轨道。通过这种方式操纵许多颗恒星，便可以创造出 一些天体集团并把它们管理好，使之造福于社会。而且，由于这一效应的放大和累积作 用，可以通过这种方式来加以控制的系统的尺度就没有任何限制，只要在不同的地方轻 轻地推推恒星就可以了。要是有足够长的时间—— 我们的后裔肯定有充裕的支配时间　　—— 甚至整个星系都能加以调度。　　这种宏伟的宇宙工程将不得不同恒星和星系的天然无规则行为作斗争，因为随机运 动会把天体从引力束缚团中抛离出去，从而促使系统走向瓦解，这一点在第七章中已经 介绍过了。巴罗和蒂普勒发现，通过操纵小行星来重新调整一个星系需要 1022 年，而 系统自然瓦解发生在大约 1019 年的时间内。所以，这场战斗看来大自然明显地占了上 风。另一方面，我们的后裔也许能做到控制比小行星大得多的天体。还有，自然瓦解的 速率取决于天体的轨道速度。对于整个星系来说，这种速度随着宇宙的膨胀而减小。轨 道速度慢了，人工操纵的过程也会放慢，但这两种效应不会以相同的速率减小。看来， 随着时间的推移，自然瓦解的速率也许会比工程社会能对宇宙作出重新安排的速率来得 低。这样就出现了一种十分有趣的可能性，即随着时间的推移，宇宙中的资源越来越少， 而智慧生物却越来越能做到对宇宙加以控制，一直到整个自然界基本上实现“技术化”， 而那时自然与人为两者之间的区别应当就不复存在了。　　戴森的一个关键性假设是，思维过程不可避免地要消耗能量。人类的思维过程肯定 如此，而且迄今都假定任何形式的信息处理必须付出最小的热力学代价。令人惊奇的是， 严格说来这个假设并不正确。国际商用机器公司 （ IBM ）的计算机专家查尔斯？贝内特　　（ Charles Bennett ）和罗尔夫？兰道尔（ Rolf Landauer ）已经证明，可逆计算原则上说是可能　　的。这意味着某些物理系统（就目前而言这完全是假设性的）可以无消耗地处理信息。 这就为想象有这样一种系统提供了可能性，该系统能进行无限量的思维而无需供给任何 能量！我们并不清楚这种系统能否收集并处理信息，因为从周围环境中获取任何有用的 信息似乎总要涉及到这种或那种形式的能量消耗，哪怕只是从噪声中提取信号都应如 此。所以，这类无所需求的生物可以对它周围的世界没有任何感觉。但是，它能记住宇 宙是什么，说不定它还能做梦。　　有关宇宙垂死的形象已经使科学家们困惑了一个多世纪。我们生活在一个因熵的挥 霍而逐渐退化的宇宙之中，这种假设乃是科学民间传说的一部分。但是，这一假设的可 靠程度如何呢？我们能否肯定所有的物理过程必然使我们走向混沌和衰退呢？　　生物学的情况又如何呢？从某些生物学家为扞卫达尔文进化论所采取的极端辩护 方式中，我们可以有所启发。我相信，引起他们这种反应的原因是，对一种显然是建设 性的过程抱有格格不入的抵触情绪，而这一过程又是由本质上应该起破坏作用的一些物 理作用所推动的。地球上的生命起源于某种粘稠的原始原生质。今天的生物圈是一个复 杂繁荣的生态系统，一种由各种各样极为复杂的有机体组成的网络，而这些有机体之间 又在发生微妙的相互作用。这好像是一种进步。但是，多数生物学家表现为急于否认曾 经发生过任何进步。他们声称，采用这样一种说法只不过是按人类的标准来渲染进化论 的变化：一种人类也许被另一种人类判定为在某种意义上优于细菌，但这纯粹是主观意 志。　　使这些生物学家惶惶不安（我相信这种惊慌是有某种正当理由）的是担心人类会倒 退到达尔文之前的目的论的思维方式，即倒退到自我信仰的轨道上去。这种自我信仰认 为，我们人类处于进步阶梯的顶端，它代表了上帝刻意安排的某种过程的顶峰，而人类 便是这一过程所预期的最终产物。这种思维方式早就名誉扫地，而为了同堕落到这种思 维方式的行为作斗争，许多生物学家毫无保留地放弃了所有与进步有关的术语。他们声 称不存在任何的阶梯，进化没有变得越来越复杂，特别是进化论的发展根本不存在方向 性。所存在的只是随机性和无规则行为。　　英国科学评论家和幽默作家拉尔夫？埃斯特林（ Ralph Estling ）曾经写道：只有高级生 命才会否认过去 30 亿年中生命一直在进步。对一名物理学家以及对大多数普通人来 说，有一点看来是很明显的，那就是今天生物圈的状态与 30 亿年前有着天壤之别。问 题是应该更为准确地来说明这种差别有什么特征。　　前面关于生存问题的讨论焦点在于信息（或有序）与熵之间的斗争，其中熵始终占 据上风。但是，信息本身是我们应当关心的量吗？不管怎么说，有条不紊地努力工作， 把所有可能的思维方式都理一遍，这种做法实在令人不敢问津，差不多就像要你读一本 电话簿一样。值得考虑的无疑是经验的质，或者说得更通俗一些，是有待收集和利用的 信息的质（而不是量）。　　就我们所知，宇宙的最初状态根本无特征可言。随着岁月的流逝，出现了我们今天 所见到的形形色色而又丰富多采的各种物理系统。因此，宇宙的历史就是复杂结构的组 织和成长史。这看上去好像是一种佯谬。我最初曾经解释过，热力学第二定律告诉我们 宇宙正在走向死亡，它不可避免地要从初始的低熵状态不知不觉地走向最终的最大熵状 态，而且毫无前途可言。那么，事情正在变得更好还是变得更糟呢？　　事实上不存在任何佯谬，因为结构复杂性与熵不是一回事。熵，或者说无序，是信 息即有序的反义词：你处理的信息越多，或者说产生出越多的有序，那么所付出的熵的 代价就越大，这里的有序意味着另外某个地方的无序。这就是第二定律，熵总是赢家。 但是，结构和复杂性并不仅仅是有序和信息。它们只与某些类型的有序或信息有关。举 个例子来说，我们清楚地认识细菌和晶体之间的重要差别。这两者都是有序的，但方式 却不同。晶体点阵表现出严密的均匀结构；这种结构是很漂亮的，然而却显得呆板，实 际上多看便令人生厌。相反，细菌的构造安排得非常精巧，它会使人产生浓厚的兴趣。　　这些看上去好像只是主观上的判断，但利用数学可以使之更具说服力。近年来开创 了一个全新的研究领域，它的目标是使结构复杂性这类概念定量化，并力图为结构建立 起与现有物理定律有同等地位的一些普适性原理。这一领域现在仍处于摇篮时期，但已 经对许多关于有序和混饨的传统假设提出了挑战。　　在《宇宙蓝图》（ The Cosmic Blueprint ）一书中，我曾经提出有一条“复杂性增加定 律”对宇宙是适用的。它应当与热力学第二定律处于同等的地位。这两条定律之间不存 在任何不相容性。实际上，对一个物理系统来说，结构复杂性的增加是以熵为代价的。 例如，在生物进化的过程中，在一种更为复杂的新有机体出现之前，必然要发生许多破 坏性的物理过程和生物过程（例如非适应性突变体的过早死亡）。即使一片雪花的形成 产生的余热，也会使宇宙的熵增加。但是，我们已经作过解释，这里不存在任何直接的 替换关系，因为结构并不是熵的反义词。　　我非常高兴地看到，许多研究者已经得出类似的结论，并正努力使复杂性“第二定 律”公式化。我可以推荐米切尔？沃尔德鲁普（ Miichell Waldrup ）所着的《复杂性》 （ Complexity ）一书来作为对这类研究进展的绝妙的总结。虽然复杂性定律与热力学第二 定律并不矛盾，但它对宇宙变化的解释却大为不同，它所描述的宇宙正在进步，从基本 上无特征的初始状态，发展到结构越来越复杂，越来越精巧。　　复杂性第二定律正在不断完善之中，它对宇宙的结局有着深远的意义。如果结构复 杂性不是熵的对立物，那么尽管宇宙中负熵的贮存有限，也不需要对复杂性程度加以限 制。因复杂性的增加而付出的熵的代价也许完全是附带的，而不是基本的；纯有序化或 者进行信息处理正是这种情况。如果是这样的话，那么我们的后裔也许有能力达到结构 不断地变得越来越复杂的那种状态，而同时却没有对不断减少的资源造成浪费。尽管他 们处理信息的数量也许会受到限制，但就他们的智力活动和体力活动的丰富程度和性质 而言，也许并不存在任何的限制。　　在本章以及前面一章中，我一直试图简要他说明宇宙正在缓慢地衰退，但也许永远　　不会完全把精力消耗殆尽；这也就是要说明那些稀奇古怪的幻想出来的生物为了维持生 存而尽力减少不必要的额外开支—— 这种开支总是越积越多而给他们造成了困难，并借 以考察他们为对付热力学第二定律不可避免的逻辑结局所表现的聪明才智。他们不顾一 切地为生存下去进行着一场并非完全绝望的斗争，这种场面也许会使某些读者感到兴 奋，而另外一些读者可能会对此忧心忡忡。我本人则是两种情绪兼而有之。　　但是，全部推测的基础是假设宇宙将会永远不断地膨胀下去。我们已经知道为什么 这只是宇宙的一种可能的命运。如果这种膨胀的减速能足够快，那么有一天宇宙也许会 停止膨胀，并开始朝一场大危机收缩。那时，生存下去的希望又是什么呢？　　第九章 快道上的生命　　要是不存在“永恒”，人类或者外星智能人，无论他们的数量有多大，都不可能把生 命永远延续下去。如果宇宙作为整体只能存在有限的时间，那么世界未日是不可避免的。 在第六章中，我解释了宇宙的最终命运如何取决于它的总重量。观测表明，宇宙的重量 所处的地位非常接近永恒膨胀和最终坍缩间的临界点。如果宇宙最终确实会开始出现收 缩，任何智慧生物的经历实际上就会同上一章所描述的情况大不相同了。　　宇宙收缩的早期阶段丝毫不构成任何威胁。就像一只扔向空中并已到达轨道顶点的 小球那样，宇宙会开始缓慢地向内下落。我们假定到达这个最高点的时刻出现在 1000 亿年以后，那时仍然有许多恒星在继续燃烧，而我们的后裔应当有能力利用光学望远镜 跟踪遥远星系的运动：这些星系的退行在逐渐变慢，然后开始回落，彼此越来越接近。 今天我们所能见到的星系在那时将会处于大约 4 倍远的距离上，因为宇宙的年龄增大 了，那时的天文学家能观测到的距离大约 10 倍于我们能见到的距离。因此他们观测到 的宇宙中所包含的星系，应当比我们这个时代能够见到的星系多得多。　　光线穿越宇宙需要好几十亿年时间，这个事实意味着 1000 亿年以后，任何天文学 家在很长一段时间内会看不到这种收缩。他们首先注意到的应当是，比较近的星系平均 说来相互接近要比彼此远离来得多，但是从遥远星系来的光线仍然会表现出红移。只是 在几百亿年以后，系统性的内落才会变得明显。比较容易识别的应当是宇宙背景热辐射 温度的微小变化。我们应当记得，这种背景辐射是大爆炸遗留下来的产物，现在它的温 度在绝对温标 3 开左右。这个温度会随着宇宙的膨胀而下降。 1000 亿年后，它会降 低到 1 开左右。在膨胀的最高点，这个温度降到了最低。一旦收缩开始，温度会重新 上升，当宇宙又收缩到与今天有同样密度时再次回升到 3 开。这又需要 1000 亿年时 间：宇宙的增大和回落在时间上是对称的。　　对此，没有必要造成恐慌。宇宙不会简单地在一夜之间坍缩。事实上，即使在收缩 阶段，我们的后裔也能在几百亿年时间内好好生活，安度时光。但是，如果转折点在更 长得多的时间之后出现，譬如出现在 1 亿亿忆年之后，那么情况就不容过份乐观了。 这种情况下，在膨胀达到最高点之前恒星已结束燃烧，任何当时还活着的居民会开始面 临在永恒膨胀宇宙中所会遇到的同样问题。　　无论转折在什么时候出现，如果从现在开始用年来计量，那么宇宙要在转折后经过 相同的年数才再次回到今天的大小。不过，它的样子将会有很大的变化。要是认为转折 就出现在 1000 亿年后，那么同现在相比，那个时候黑洞会多得多，而恒星却要少得多。 可供人类居住的行星将会非常珍贵了。　　在宇宙到达这个阶段时，它收缩的步伐已经相当快了，大约再过 35 亿年，宇宙的　　尺度会减小一半，并且不断地加速减小。但是，真正紧张的时刻大约出现在这一阶段之 后的 100 亿年，那时宇宙背景热辐射温度的上升开始构成一种严重的威胁。当温度上 升到绝对温标 200 开时，像地球这样的行星就很难把热量释放出去，它会越变越热， 而且毫无挽回的余地。首先，所有的冰冠或冰川都会融化，然后海洋开始蒸发。　　再过 4000 万年，背景辐射温度会达到今天地球的平均温度。那时，像地球那样的 行星将完全不适合人类居住。当然，在太阳膨胀成一颗红巨星时，地球早已承受过类似 的命运。但在此时此刻，已没有任何别的地方可去，没有一个安全的避难场所。背景热 辐射充满整个宇宙。整个空间的温度都达到摄氏 20 度，并且还在上升。那时人类或者 已适应这种灼热的环境，或者已创造出一些制冷生态系统以推迟被煮烤的威胁。他们都 应当注意到，宇宙那时正以一种狂热的步伐在坍缩，每过几百万年尺度就会缩小一半。 在收缩的这一阶段，所有还存在的星系都已不能再加以识别了，因为那时它们应当已经 并合到一起。但是，空间还是很大的，个别恒星之间的碰撞应当很少出现。　　宇宙在接近它的最后阶段时，环境条件应当同大爆炸后不久起支配作用的那些条件 越来越相似。天文学家马丁？里斯（ Martin Rees ）进行了一项有关宇宙未日学的研究。他 运用普通的物理原理已能构造出一幅最后坍缩阶段的景象。宇宙热辐射最终变得非常 强，使夜间天空发出淡红色的辉光。漆黑的宇宙慢慢地变成一个无所不包的宇宙熔炉， 所有脆弱的生命形式，无论他们躲在何处，都要受到酷热的折磨，而行星的大气层也已 被剥得干干净净了。红色的辉光渐渐地变成黄色，然后是白色，直到充满整个宇宙的可 怕的热辐射威胁到恒星本身的存在。因为无法把自身的能量辐射出去，恒星热量就会在 内部堆积起来，结果发生爆炸。空间会逐渐地被热气体即等离子体所充满，会发出可怕 的光芒，同时一直不断地越变越热。　　随着变化步伐的加快，环境条件不断地走向极端。宇宙开始发生明显变化的时间尺 度只需要 10 万年，然后只要 1000 年，接下来是 100 年，朝着总的灾变加速前进。 温度上升到几百万开，然后是几十亿开。分布在今天浩瀚空间中的物质被挤入很小的体 积内。一个星系的质量所占据的空间直径只有几个光年。最后三分钟来临了。　　最终，温度变得极高，甚至连原子核也分裂了。物质被剥离得成了一锅均匀的基本 粒子汤。在不到你读完这一页书的时间内，大爆炸和一代又一代恒星创造化学重元素的 杰作就被破坏殆尽。保持了无数亿年的最稳定结构—— 原子核—— 无可挽回地被摧毁 了。除黑洞之外，其余一切结构早已被烧烤得不复存在。现在，宇宙的结构变得很简单， 这种结构尽管别致，却是前途凶险，它只剩下几秒钟的生存时间。　　随着宇宙坍缩得越来越快，温度也上升得越来越快，而且没有明确的限制。物质受 到的压缩作用极为厉害，区分单个质子和中子已变得毫无意义，所存在的只是一种由夸 克组成的等离子体。然 而，坍缩还在加速进行。　　现在所处的阶段离开宇宙最终大灾变只剩下最后几个微秒时间。黑洞开始相互并　　合，其内部情况与整个宇宙的总体坍缩状态几乎毫无区别。它们现在只不过是一些略为 提早到达未日的时空区域，并且正在和宇宙的其他部分掺合在一起。　　在最后那些时刻，引力成为占绝对优势的作用，它毫不留情地把物质和空间碾得粉 碎。时空曲率不断地增大。越来越大的空间区域被压缩到越来越小的体积之内。按照常 规理论，这场暴缩有着无比强大的威力，所有的物质都因挤压而不复存在，一切有形的 东西统统都被消灭，其中也包括空间和时间本身在内，剩下的只是一个时空奇点。　　这就是未日。 就我们的理解，这场“大危机”不只是一切有形结构的未日，甚至也不仅仅是物质的　　未日，它是一切事物的未日。因为在大危机的瞬间，时间本身已经停止，要问以后会发　　生什么是毫无意义的，就像问大爆炸前发生过什么一样。对任何事物来说，根本不存在 “以后”会发生什么，没有任何时间可言，那怕是静止的时间都没有，也不存在空的空间。 大爆炸时从虚无中诞生的宇宙，将在大危机中于虚无中消失，它曾经灿烂辉煌地存在了 无数亿年，而现在甚至连一丝回忆也不会留下。　　我们应该为这样一种前景而感到气馁吗？一种情况是宇宙永无休止地向着黑暗空 虚的状态缓慢地退化和膨胀，另一种则是在剧烈的暴缩中湮没，两者哪一种更为糟糕 呢？还有，在一个注定要走到时间尽头的宇宙里，永垂不朽的希望又是什么呢？