第18章
圖
由於太初黑洞是如此之稀罕，看來不太可能存在一個近到我們可以將其當作一個單獨的伽瑪射線源來觀察。但是由於引力會
圖將太初黑洞往任何物質處拉近，所以在星系裏面和附近它們應該會更稠密得多。雖然伽瑪射線背景告訴我們，平均每立方光年不可能有多於300個太初黑洞，但它並沒有告訴我們，太初黑洞在我們星系中的密度。譬如講，如果它們的密度高100萬倍，則離開我們最近的黑洞可能大約在10億公里遠，或者大約是已知的最遠的行星——冥王星那麼遠。在這個距離上去探測黑洞恆定的輻射，即使其功率爲1萬兆瓦，仍是非常困難的。人們必須在合理的時間間隔裏，譬如一星期，從同方向檢測到幾個伽瑪射線量子，以便觀測到一個太初黑洞。否則，它們僅可能是背景的一部份。因爲伽瑪射線有非常高的頻率，從普郎克量子原理得知，每一伽瑪射線量子具有非常高的能量，這樣甚至發射一萬兆瓦都不需要許多量子。而要觀測到從冥王星這麼遠來的如此少的粒子，需要一個比任何迄今已造成的更大的伽瑪射線探測器。況且，由於伽瑪射線不能穿透大氣層，此探測器必須放到外空間。
當然，如果一顆像冥王星這麼近的黑洞已達到它生命的末期並要爆炸開來，去檢測其最後爆炸的輻射是容易的。但是，如果一個黑洞已經輻射了100～20o億年，不在過去或將來的幾百萬年裏，而是在未來的若干年裏到達它生命的終結的可能性真是微不足道！所以在你的研究津貼用光之前，爲了有一合理的機會看到爆炸，必須找到在大約1光年距離之內檢測任何爆炸的方法。事實上，原先建造來監督違反禁止核試驗條約的衛星檢測到了伽瑪射線爆。每個月似乎發生16次左右，並且大體均勻地分佈在天空的所有方向上。這表明它們起源於太陽系之外，否則的話，我們可以預料它們要集中於行星軌道面上。這種均勻分佈還表明，這些伽瑪射線源要麼處於銀河系中離我們相當近的地方，要麼在它的外圍的宇宙學距離之處，否則它們還會集中於星系的平面之上。在後者的情形下，產生伽瑪射線爆所需的能量實在太大，微小的黑洞根本提供不起。但是如果這些源以星系的尺度衡量和我們鄰近，那就可能是正在爆發的黑洞。我非常希望這種情形成真，但是我必須承認，還可以用其他方式來解釋伽瑪射線爆，例如中子星的碰撞。未來幾年的觀測，尤其是像ligo這樣的引力波探測器，應該能使我們發現伽瑪射線爆的起源。
即使對太初黑洞的探索證明是否定的，並且看來可能會是這樣，仍然給了我們關於極早期宇宙的重要信息。如果早期宇宙曾經是紊亂或無規的，或者物質的壓力很低，可以預料到會產生比我們對伽瑪射線背景所作的觀測所設下的極限更多的太初黑洞。只有當早期宇宙是非常光滑和均勻的，並有很高的壓力，人們才能解釋爲何沒有觀測到太初黑洞。
黑洞輻射的思想是第一個這樣的例子，它以基本的方式依賴於本世紀兩個偉大理論即廣義相對論和量子力學所作的預言。因爲它推翻了已有的觀點，所以一開始就引起了許多反對：“黑洞怎麼會輻射東西出來？”當我在牛津附近的盧瑟福——阿普頓實驗室的一次會議上，第一次宣佈我的計算結果時，受到了普遍質疑。我講演結束後，會議主席、倫敦國王學院的約翰·泰勒宣佈這一切都是毫無意義的。他甚至爲此還寫了一篇論文。然而，最終包括約翰·泰勒在內的大部分人都得出結論：如果我們關於廣義相對論和量子力學的其他觀念是正確的，黑洞必須像熱體那樣輻射。這樣，即使我們還不能找到一個太初黑洞，大家相當普遍地同意，如果找到的話，它必須正在發射出大量的伽瑪射線和x射線。
黑洞輻射的存在看來意味着，引力坍縮不像我們曾經認爲的那樣是最終的、不可逆轉的。如果一個航天員落到黑洞中去，黑洞的質量將增加，但是最終這額外質量的等效能量會以輻射的形式回到宇宙中去。這樣，此航天員在某種意義上被“再循環”了。然而，這是一種非常可憐的不朽，當他在黑洞裏被撕開時，他的任何個人的時間的概念幾乎肯定都達到了終點，甚至最終從黑洞輻射出來的粒子的種類一般都和構成這航天員的不同：這航天員所遺留下來的僅有特徵是他的質量或能量。
當黑洞的質量大於幾分之1克時，我用以推導黑洞輻射的近似應是很有效的。但是，當黑洞在它的生命晚期，質量變成非常小時，這近似就失效了。最可能的結果看來是，它至少從宇宙的我們這一區域消失了，帶走了航天員和可能在它裏面的任何奇點（如果其中確有一個奇點的話）。這是量子力學能夠去掉廣義相對論預言的奇點的第一個跡象。然而，我和其他人在1974年所用的方法不能回答諸如量子引力論中是否會發生奇性的問題。所以從1975年以來，根據理查德·費因曼對於歷史求和的思想，我開始發展一種更強有力的量子引力論方法。這種方法對宇宙的開端和終結，以及其中的諸如航天員之類的存在物給出的答案，這些將在下兩章中敘述。我們將看到，雖然不確定性原理對於我們所有的預言的準確性都加上了限制，同時它卻可以排除掉髮生在空間——時間奇點處的基本的不可預言性。
第八章宇宙的起源和命運
愛因斯坦廣義相對論本身預言了：時空在大爆炸奇點處開始，並會在大擠壓奇點處（如果整個宇宙坍縮的話）或在黑洞中的一個奇點處（如果一個局部區域，譬如恆星要坍縮的話）結束。任何拋進黑洞的東西都會在奇點處被毀滅，只有它的質量的引力效應能繼續在外面被感覺得到。另一方面，當計入量子效應時，物體的質量和能量會最終回到宇宙的其餘部分，黑洞和在它當中的任何奇點一道被蒸發掉並最終消失。量子力學對大爆炸和大擠壓奇點也能有同樣戲劇性的效應嗎？在宇宙的極早或極晚期，當引力場是如此之強，以至於量子效應不能不考慮時，究竟會發生什麼？宇宙究竟是否有一個開端或終結？如果有的話，它們是什麼樣子的？
整個70年代我主要在研究黑洞，但在1981年參加在梵蒂岡由耶穌會組織的宇宙學會議時，我對於宇宙的起源和命運問題的興趣重新被喚起。天主教會試圖對科學的問題立法，並宣佈太陽是繞着地球運動時，對伽利略犯下了大錯誤。幾個世紀後的現在，它決定邀請一些專家就宇宙學問題提出建議。在會議的尾聲，所有參加者應邀出席教皇的一次演講。他告訴我們，在大爆炸之後的宇宙演化是可以研究的，但是我們不應該去過問大爆炸本身，因爲那是創生的時刻，因而是上帝的事務。那時候我心中暗喜，他並不知道，我剛在會議上作過的演講的主題——時空是有限而無界的可能性，就表明着沒有開端、沒有創生的時刻。我不想去分享伽利略的厄運。我對伽利略之所以有一種強烈的認同感，其部分原因是剛好我出生於他死後的300年！
爲了解釋我和其他人關於量子力學如何影響宇宙的起源和命運的思想，必須首先按照“熱大爆炸模型”來理解爲大家所接受的宇宙歷史。它是假定從早到大爆炸時刻起宇宙就用弗利德曼模型描述。在此模型中，人們發現當宇宙膨脹時，其中的任何物體或輻射都變得更涼。（當宇宙的尺度大到二倍，它的溫度就降低到一半。）由於溫度即是粒子的平均能量——或速度的測度，宇宙的變涼對於其中的物質就會有較大的效應。在非常高的溫度下，粒子會運動得如此之快，以至於能逃脫任何由核力或電磁力將它們吸引一起的作用。但是可以預料，當它們變冷下來時，互相吸引的粒子開始結塊。更有甚者，連存在於宇宙中的粒子的種類也依賴於溫度。在足夠高的溫度下，粒子的能量是如此之高，只要它們碰撞就會產生出來很多不同的粒子/反粒子對——並且，雖然其中一些粒子打到反粒子上去時會湮滅，但是它們產生得比湮滅得更快。然而，在更低的溫度下，碰撞粒子具有較小的能量，粒子/反粒子對產生得不快，而湮滅則變得比產生更快。
就在大爆炸時，宇宙體積被認爲是零，所以是無限熱。但是，輻射的溫度隨着宇宙的膨脹而降低。大爆炸後的1秒鐘，溫度降低到約爲100億度，這大約是太陽中心溫度的1千倍，亦即氫彈爆炸達到的溫度。此刻宇宙主要包含光子、電子和中微子（極輕的粒子，它只受弱力和引力的作用）和它們的反粒子，還有一些質子和中子。隨着宇宙的繼續膨脹，溫度繼續降低，電子/反電子對在碰撞中的產生率就落到它們湮滅率之下。這樣只剩下很少的電子，而大部分電子和反電子相互湮滅，產生出更多的光子。然而，中微子和反中微子並沒有互相湮滅掉，因爲這些粒子和它們自己以及其他粒子的作用非常微弱，所以直到今天它們應該仍然存在。如果我們能觀測到它們，就會爲非常熱的早期宇宙階段的圖象提供一個很好的證據。可惜現今它們的能量太低了，以至於我們不能直接地觀察到。
：https://www.zibq.cc。：https://m.zibq.cc