黑洞的由来与宇宙理论

我们从哪里来？宇宙是什么样的？这自有人类以来的永恒疑问。从托勒密的地心说到哥白尼的日心说，再到十七世纪，开普勒、胡克等人继续为太阳系勾勒大概的轮廓。最终伟大的牛顿建立了完美的经典力学大厦。但是用牛顿力学解释宇宙有个致命的疑问，如果万有引力是正确的，为什么星系不会因为万有引力聚拢到一起？要解决这个问题，要从哈勃的发现说起。

光是一种电磁波，根据多普勒效应，恒星如果向地球而来，则光频上升，光波长向短波移动，称为蓝移。若恒星远离地球而去，则光频下降，光波长向长波移动，称为红移。如果宇宙是稳定的，远离我们的恒星数目和向我们而来的恒星数目应该差不多。结果哈勃的观测表明，绝大多数恒星都发生红移，而且距离越远的恒星远离的速度越快。这个发现非同小可，似乎暗示地球又成了宇宙的中心了，其实不然。打个比方，就像气球上任意两个点，吹气球时，随着气球的膨胀，气球上任意两个点间的距离会迅速拉大，但气球上任意一点都不是中心。所以结论是：我们的宇宙正在膨。如果宇宙现在正在膨胀，那么沿时间回溯，以前宇宙肯定比现在小，则肯定有那么一个时刻，宇宙中所有东西都聚集在一起，宇宙必然有个起点！

根据霍金的宇宙理论，宇宙是在一次大爆炸中产生的。大爆炸开始时，宇宙体积被认为是零，所以是无限热。但是，辐射的温度随着宇宙的膨胀而降低。宇宙诞生1微秒后，随宇宙膨胀，温度下降到1万亿度，光开始转化成最基本的物质，如电子正电子中子质子中微子等。大爆炸后的1秒钟，温度降低到约为100亿度。此刻宇宙主要包含光子、电子和中微子和它们的反粒子，还有一些质子和中子。

在大爆炸后的大约100秒，温度降到了10亿度，也即最热的恒星内部的温度。在此温度下，质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引，所以开始结合产生氘（重氢）的原子核。然后，氘核和更多的质子中子相结合形成氦核，还产生了少量的两种更重的元素锂和铍。大爆炸后的几个钟头之内，氦和其他元素的产生就停止了。之后的100万年左右，宇宙仅仅只是继续膨胀，没有发生什么事。最后，一旦温度降低到几千度，电子和核子不再有足够能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，它们就开始结合形成原子。宇宙作为整体，继续膨胀变冷，但在一个略比平均更密集的区域，膨胀就会由于额外的引力吸引而慢下来。在一些区域膨胀会最终停止并开始坍缩。当它们坍缩时，在这些区域外的物体的引力拉力使它们开始很慢地旋转；当坍缩的区域变得更小，它会自转得更快——正如在冰上自转的滑冰者，缩回手臂时会自转得更快；最终，当这些区域变得足够小，自转的速度就足以平衡引力的吸引，碟状的旋转星系就以这种方式诞生了。另外一些区域刚好没有得到旋转，就形成了叫做椭圆星系的椭球状物体。

随着时间流逝，星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云，它们在自身引力下坍缩。当它们收缩时，其中的原子相碰撞，气体温度升高，直到最后，热得足以开始热骤变反应。这些反应将更多的氢转变成氦，释放出的热升高了压力，因此使星云不再继续收缩。它们会稳定地在这种状态下停留一段很长的时间，直至它们将氢用光；然后，它们会稍微收缩一点。当它们进一步变热，就开始将氦转变成像碳和氧这样更重的元素。一些恒星接近生命终点时产生的重元素就抛回到星系里的气体中去，为下一代恒星提供一些原料。大部分气体形成了恒星或者喷到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像我们的地球这样的、现在绕太阳公转的物体。于是我们的地球便产生了。

四、大爆炸理论及其反对者

大爆炸的猜想正式登台。这个起点，人们猜想宇宙起始于一个非常小的点（奇点），并在一次惊天动地的大爆炸中诞生，之后一直膨胀至今。有人肯定要问，那宇宙诞生之前有什么？宇宙之外有什么呢？大爆炸理论认为，这种问法是错误的。按照爱因斯坦的相对论，时间和空间是合为一体的四维时空，则大爆炸的奇异点既是空间的起始点，又是时间的起始点。宇宙包含一切，没有宇宙之前，也没有宇宙之外。从星系退行的速度和星系间的距离可以反推宇宙的年龄，现在的看法，宇宙年龄大概为140亿年左右。

任何新理论的出现都要遭到保守者的反对，也只有经受这些考验，一个科学理论才能走向成熟。大爆炸理论也不例外，它提出之初，就不断遭到多数物理学家的反对，认为太违背永恒宇宙的信仰。相反大爆炸理论受到罗马教廷的欢迎，认为是上帝创造世界的间接证明。爱因斯坦也是稳恒宇宙的支持者，他为了得出了一个符合广义相对论的稳恒态宇宙模型，不惜假设了一个宇宙常数产生斥力以抵消引力的影响。这个凭空假设的宇宙常数使整个理论显得可疑。很多年后，当大爆炸理论最终被大家接受时，爱因斯坦称这个假设是他一生中犯的最大错误。

稳恒态宇宙理论另一个无法解释的问题是，夜空为什么这么黑？什么意思呢，如果宇宙永恒存在，按照目前观察到的恒星分布的密度，夜晚的星光应该很亮很密集，夜空将亮如白昼，而实际上我们只看到稀疏的星光。有人反驳说远处星星的光在传播途中被星际尘埃吸收了，但如果宇宙永恒存在，经过足够长的时间，尘埃总会被加热到足够热，也会发光，天空应该还是很亮。大爆炸理论解释说，由于宇宙膨胀得很快，恒星年龄也有限，目前远处恒星的光线还没来得及传到地球上，所以我们看不到太多的星星。

另一位稳恒宇宙的支持者质霍伊尔质疑大爆炸理论无法解释构成我们宇宙的各种元素是如何形成的，他提出了一个恒星炉模型。在这个模型中恒星是个大氢气球，在万有引力作用下，氢气聚集成恒星，恒星中心高温高压，氢原子在这里发生核聚变反应生成氦，反应产生的压力正好抵抗外有引力，产生的热使恒星发光。在恒星老年，氦元素继续聚变成氮、氧、硫，最终合成铁。当核聚变燃料烧完时，质量较小的恒星会先膨胀成一颗红巨星，再变成一颗黯淡的白矮星，主要由碳和氧构成，依靠电子简并压来抵抗万有引力。而超过钱德拉塞卡极限（约1.38倍太阳质量）的恒星会死于一场剧烈爆炸，亮度急剧上升（太阳亮度的50亿倍），此时的恒星称为“超新星”，名字叫新星，其实是垂死的挣扎。根据史书记载，公元185年，中国人观察到半人马座超新星爆发，亮度超过金星（《后汉书》：“客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消”），369年又发现仙后座超新星爆发，亮度超过木星，其后又分别在1006（《宋史》：“景德三年四月戊寅，周伯星见，出氐南，骑官西一度，状如半月，有芒角，煌煌然可以鉴物，历库楼东”）、1054（《宋会要》：“至和元年五月己酉，出天关东南可数寸，岁余稍没。”）和1604年观察到豺狼座、金牛座和蛇夫座超新星爆发。