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第18部分（第1页）

年才完全蒸发掉，而它在最后几1秒里释放的能量相当于100万颗百万吨级的氢弹。

黑洞蒸发的最后结果尚不得而知。也许有人认为视界消失后将留下一个裸露的中心奇点，但是这种经典的看法很可能是错的。当黑洞半径缩减到普朗克长度（10”厘米）的量级时，时空几何自身的量子涨落变得重要起来，只有量子引力理论才能揭示微型黑洞的最后命运。如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉，应该说时空就会成为平直。量子引力是认识大爆炸和黑洞命运，即认识宇宙的开端和终结的必由之路。

引力不稳定性

一个通常的热力学系统处在一种较冷的介质中时会损失能量。它的温度降低而介质的温度升高，直到实现平衡为止，我们说这个系统有正比热。量子黑洞的行为则正相反，它失去能量时温度升高，反之亦然。如果周围介质的温度较高，黑洞就总是倾向于吸收能量，增大尺度，因而冷却，直至所有可得到的能量都已被吸收为止。反过来，如果介质温度较低，它就辐射，减小尺度，直至蒸发和消散掉自己所有的能量为止。这就是说，黑洞有着负比热，因而它根本上是不稳定的。

所有自引力系统，即其平衡只依赖于引力的系统，不论是量子系统与否，都是不稳定的。例如，在围绕地球轨道上的人造卫星会由于大气摩擦而损失引力能，因而沿螺旋线缓慢地朝地球下落。在这个过程中其速度和动能是增大的，所以它不能获得～个稳定轨道，最后只能坠落到地球上。

引力坍缩则是极端的例子。在自身重力作用下，一个恒星或恒星团这样的粒子系统辐射掉引力束缚能，不断收缩，温度变得越来越高。如果没有相反的力存在，奇点将不可避免地形成，达到平衡态是不可能的。微型黑洞的蒸发只不过是一种反方向上的引力坍缩，这可以由图55的时空图来证实。由于物质在离开视界，一个蒸发着的微型黑洞的“瞬时”状态就像一个白洞。因此，量子力学为黑洞提供了作为引力普遍特征的不稳定性。

更进一步，引力与热力学之间的联系可能是比黑洞广阔得多的自然领域的普遍特征。在黑洞的热力学转变过程中实际上起关键作用的是视界，而视界可以有着与黑洞毫不相干的意义。在狭义相对论的无引力平直时空里，一个具有恒定加速度的观测者不可能“经典地”获得来自一个遥远时空区域的信息，只是因为那个区域发出的辐射不能到达，对他来说那部分时空就隐藏在一个视界之后。如果考虑真空中的量子涨落，就可以得出加速（等效于一个均匀引力场）会使真空极化。如果那个观测者带有一个位于探测器，他将测量到一种黑体辐射形式的“鼻子噪声”，黑体的温度正比于他的加速度。在宇宙学里，膨胀宇宙模型也有视界，因而也有一个相联系的黑体温度（极低，不要与作为大爆炸遗迹的宇宙背景温度开氏27度相混淆）。

黑洞热力学已经把我们从蒸汽机带出很远了。

上帝耍人

基本粒子通过核力和电磁力而相互作用，这些作用服从已由实验验证的一定规则，正是这些规则使得科学家能够建立起一致的清楚的物理理论。规则中有一条是重子数守恒。简单说来，它是指在所有的基本相互作用中，必须保持粒子和反粒子的相称，所以一个光子（重子数为0）可以转变成一个中子（重子数为十l）和一个反中子（重子数为一1）组成的对，因为总的重子数保持为零。但是一个中子决不能转变成一对光子。另一个称为轻子的粒子家族，包括电子、U介子和中微于，也遵守一条相似的规则，这些粒子每个都有一个轻子数，在基本相互作用中总轻子数必须守恒。

粒子物理的这些基本规则被量子黑洞满不在乎地破坏了。我们已经看到黑洞在形成或吞噬物质时会“失去毛发”：所有关于粒子的信息在它们通过视界时全都丧失了。尤其是，一个由重于（例如大质量恒星中心的质子和中子）形成的黑洞并不记得它的重子数，它跟由反重子形成的黑洞完全一样，我们不可能看出有什么差异。且再耐心等等，在一定时间后黑洞会开始按照霍金机制而辐射，释放能量和摘。黑洞像黑体那样辐射这一事实，意味着它只能发射出相等数目的重子和反重子，或等数目的轻子和反轻子。也就是说，由蒸发的黑洞出来的净重子数总是为零。黑洞的蒸发破坏了重子数和轻子数守恒的规则。

这个惊人的性质表明，由黑洞蒸发所释放到外部介质的信息在通过视界时会“降级”。这种退化给离开黑洞的物质和辐射打上一个“热印记”，使得资料随机化。正因为此，霍金认为测不准原理在应用于黑洞时应被代之以“猜不准原理”。

爱因斯坦始终不喜欢量子力学，尽管他对这一理论的发展起过先锋作用。他不喜欢测不准原理包含的非决定论思想，并用这样一个短句来表达自己的反感：“上帝不掷骰子。”霍金的回答是：“上帝不只是掷骰子，还把骰子掷到我们看不到的地方！”第四篇：光的复归

世界的真正奥秘之所在，并不是不可见物，而是可见物。

——奥斯卡·王尔德（　Oscar　wude）

第十五章　原初黑洞

团块

让我们返回到宇宙的极为遥远的过去，即150亿年以前。刚刚形成的宇宙并不是一种均匀平静的“汤”，由于微小涨落的激发，物质在自身引力作用下趋于聚集成团块。但是，像炉子里的蛋糕一样，宇宙由于大爆炸的力量而在膨胀。这种总体膨胀与局域凝聚之间的对立是当代物理学最大的问题之一：某些团块究竟是怎么发展成星系的呢？似乎宇宙的膨胀终究应该足以阻止局域的凝聚，以至于在宇宙的历史上，没有任何星系、恒星、行星以及处在这个链条终端的生命能够出现。

星系的存在“实验”地证明，原初宇宙中的某些涨落能够增长，并与整体膨胀相脱离。在这种凝聚过程中，密度反差，即团块相对于周围环境的质量超出，将无限制地增大。在初始阶段这种反差很小，即使团块总质量已有几百M时，密度的相对超出也只不过千分之一。而今天，对同样质量而言，密度反差已在ic万倍以上。引力干得多勤奋！（太阳型恒星与星际介质的密度反差还要大：10”比1。）

厨师都知道，在火上搅动一锅酱汁时，小团块比大的更容易形成。因此也有这样的可能，原初宇宙中那些大幅度的涨落使质量比星系小得多的物质首先凝聚成由引力控制的物体。正是通过引人这样一种机制，史蒂芬·霍金于1971年建议了原初黑洞的存在。

前面讲过，由恒星坍缩而形成的黑洞质量在3的量级，对原初黑洞没有这种制约，各种形状和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的微型黑洞。

有可能由天文观测来检验关于微型黑洞的思想吗？

碰撞中的世界

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