文档介绍：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著的变化。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