关于宇宙的研究性学习课题报告

我们已经寻找了比原子还小的微型原初黑洞的光亮,我们已经看到了半径为10公里上下的恒星级黑洞的诞生,我们也已经同尺度像太阳系那么大的巨型黑洞打过了交道,只剩下一个问题要问:可能的最大黑洞是什么?答案是现代科学中的一个最惊人的设想:宇宙本身。 要弄懂为什么这个答案并非妄言,必须介绍一些宇宙学的基本知识。现代宇宙学家已经超越了人类为求得一个可认识和无疑虑的宇宙图像所编过的神话和所作过的玄想,他们有三个观测事实,在对之作了仔细的物理解释后,就能据以反推出宇宙的过去历史。星系的运动,轻元素(指氢、氛和氦,它们不是在恒星中产生的)的相对丰度,以及均匀的宇宙辐射,全都表明宇宙在自极高密、极高温的大爆炸状态以来的150亿年中一直在膨胀。 观测已经提供了对宇宙历史的透视,然而只有理论才能猜测宇宙的未来。由于决定大尺度物理结构的是引力,爱因斯坦广义相对论给出了与过去的状态相符的宇宙学模型。关于将来,则有两个可能的解答:一个膨胀再收缩的宇宙,在时间上和空间上都是有限的;或者是一个无限地膨胀的宇宙(与某些宇宙学家也有的流行观念相反,宇宙在时间上的无限并不意味着在空间上的无限)。 宇宙中物质的平均密度决定着宇宙未来的命运。如果密度小于临界值10《’克/立方厘米(相当于每立方米的空间里有六个氢原子),”则宇宙的引力场不足以束缚住物质,宇宙将继续无休止地膨胀。相反,如果平均密度大于临界值,则引力终将使宇宙停止膨胀并重新收缩,在1000亿年内宇宙将坍缩成一种与大爆炸相反的状态,不妨叫做大挤压。 无论宇宙的最后命运如何(宇宙密度的实际测量值稍小于临界值,但还不能由此得出“开放”宇宙的结论,因为并非所有的物质都已被观测到),黑洞都将是其中的主角。普林斯顿高级学术研究所的弗里曼·戴森(Freeman Dxson)和伦敦大学的雅玛尔·伊思兰(Jamal Islam)已经研究了持续膨胀的宇宙的长时期演化(见伊思兰的著作《宇宙的最终命运》入剑桥大学出版社1983年)。虽然宇宙已经存在了150亿年,这种长时间的物理过程尚未开始,但迟早将会来临。在大约102’年里,所有已熄灭的恒星都将聚集在星系中心,成为10’他弹量的大黑洞。星系团中星系轨道运动的能量也将由于引力辐射而消散,在大约1031年里星系都将落到团的中心,并聚合成10”Mpe量的超巨型黑洞。在更大得多的时间尺度上,反过程即黑洞的量子蒸发将会发生。恒星级黑洞将在10e’年里蒸发光,星系级巨型黑洞需要100’年,超巨型黑洞则需要10’历年。作为能量和滴的最后蓄积,黑洞将变得与白洞类似,把自己的物质散布到膨胀的宇宙中(以“合格”的黑体辐射的形式,见第15章)。 戴森最后问自己,面对宇宙不可避免地变得稀薄和冷却这种不利的条件,高级文明能否通过从黑洞中提取能量来无限期地维持生存?这个设想使人回忆起一些典型的科学幻想故事,而与现代粒子物理的一个预测相抵触,那就是,质子不一定是永存的(质子是不是会衰变、死亡,这个问题还在争论),也许是会在大约‘年后衰变(现有实验并未证实关于质子寿命的这个预测)。那么,远在黑洞开始释放其能量之前,所有的物理结构和生命组织就都已消亡。 现在来考查一下如果时间上和空间上都有限的膨胀一收缩宇宙的后果又是怎样的。使宇宙成为一个闭合系统所需的最低密度是一个质量为1023M,半径为400亿光年的黑洞的平均密度(黑洞的平均密度是随其半径的增大而减小的),而对我们的宇宙而言,光所走过的最大距离不超过150亿光年。这就是说宇宙是在其史瓦西半径之内,能由此得出结论说我们是生活在一个极其巨大的黑洞内部吗? 更深入地作一番考虑,就会发现有一系列的理论证据支持黑洞宇宙的假设。请读者回想图47这一智力杰作,即是一颗坍缩的球形恒星内部和外部的时空图。外部是史瓦西几何片,而内部的几何则有赖于恒星物质的状态方程。广义相对论证明,如果恒星类似于一团压强为零、密度均匀的球状“云”,即类似于充满于宇宙的星系气体,则云的内部几何(图中的斜线区)与闭合宇宙的几何完全一致,而且内部和外部几何在云的表面完好地相连接。 另一方面,闭合的膨胀一收缩宇宙也有一个视界,即这样一个时空边界,在其之外的事件是我们所不可联络的,因为那些事件的光信号不能到达我们这里。这个宇宙学视界(不要与粒子视界相混淆,后者是指在一个给定时刻宇宙中可观测部分的空间边界)是与将来奇点(即大挤压)相联系着,从内部看,它就像黑洞视界从外部看时规定着黑洞的边界一样(事实上闭合宇宙的最大半径与它在外部观测者眼中的史瓦西半径精确相等)。 因此可以想象,如果宇宙是闭合的,就必定有一个外部世界,我们的宇宙是其中的一个隐藏在黑洞内的区域。显然,如果这个(仍令人迷惑不解的)假设能得到证明,宇宙学将展开一个全新的领域。 例如,科学家们首先想知道的是,我们的宇宙是怎样成为一个黑洞的。它是外部宇宙中的一个原初黑洞呢,还是由一个102M质量的“超级恒星”的目力坍缩而形成的呢?这样看来,外部宇宙就不是真空,那里的星系(或许是由我们完全不知道的物质组成的)可以整个地掉进我们的宇宙。 宇宙作为一个黑洞的最吸引人的结果将是黑洞内物质完全出乎意料的行为。广义相对论指出,恒星在史瓦西半径以内的引力收缩必定以中心奇点为终结。但是,广义相对论是不完整的。由于没有量子引力理论,我们必须承认对支配黑洞内物质行为的定律实际上一无所知。膨胀一收缩的黑洞宇宙似乎暗示着,黑洞内的引力坍缩可以在奇点之前停止。物质的某种最后阻抗,例如一种只在很小距离上才显示出来的强排斥作用,可能造成坍缩恒星的物质“反弹”,类似地,整个宇宙就在极密状态和充满史瓦西球内部的膨胀状态之间无限地振荡。这种行为可能有一天会在所有基本相互作用的统一理论中出现,在这种理论中引力奇点已被消除(见第12章)。 黑洞宇宙理论最后提出的问题是关于我们宇宙的唯一性。我们的封闭宇宙相对于外部宇宙是处于什么地位呢?也许可以有一个套一个的宇宙等级,也就是黑洞之中又有黑洞。最新的物理理论允许这种“气泡宇宙”的存在。 你去这儿看看