黑洞：恒星巨兽宇宙中隐藏

2019年，全球诸多报纸和网站都在头版以显眼的方式刊登了一条轰动的新闻：天文学家拍摄到了第一张黑洞的照片。数十亿人看到了这幅醒目的图像，一个红色的炽热火球，中间有一个黑色的圆形轮廓。这个神秘物体吸引了公众的眼球并占据了所有的新闻媒体。黑洞不仅迷住了物理学家，还进入了公众的视野，一时间登上了无数科学类专刊特辑和众多电影。

由“视界望远镜”拍摄的黑洞位于距离地球53 000 000光年的M87星系内部。黑洞确实是个怪物，其质量超出了太阳质量的50亿倍。我们整个太阳系都能轻松地嵌入照片中的黑色轮廓内，即使算上冥王星的外围。

为了实现这一惊人的成就，天文学家创建了一个超级望远镜。常规的射电望远镜太小，无法吸收足够多的微弱的无线电信号来创建如此遥远的物体的图像。于是，天文学家将散布于世界各地的五个独立信号汇总在一起，拍摄出了这个黑洞。利用超级计算机仔细拟合这些不同的信号，他们实际上创建了一个巨型射电望远镜。这个合成物的能力非常强，以至于原则上它能从地球上探测到月球表面的物体细节。

众多类似黑洞这样的新奇的天文学发现，重新激发了人们对爱因斯坦引力理论的兴趣。可悲的是，在过去的50年，人们对爱因斯坦广义相对论的研究近乎停滞——方程式非常难解，通常涉及数百个变量；引力实验器材太昂贵，通常涉及跨越数英里的探测器。

具有讽刺意味的是，尽管爱因斯坦对量子理论的观点有所保留，但推动相对论研究的正是这二者的结合，即量子理论在广义相对论中的应用。正如我们提到的那样，对引力子的完整理解以及引力子的量子修正被认为是极端困难的事；但是量子理论对恒星的初试牛刀（忽略引力子修正）已经为一波科学技术的突破浪潮打开了大门。

实际上，黑洞的基本思想可以追溯到牛顿对引力定律的发现。如果以足够的能量发射炮弹，它将绕地球旋转，然后返回到原来的位置。

如果将炮弹垂直向上发射，会发生什么？牛顿意识到，炮弹最终将达到最大高度，然后掉回地球。不过，如果拥有足够的能量，炮弹将达到逃逸速度，即逃离地球引力并飞向太空（永远不会返回）所需的速度。

这是一个简单的练习题，利用牛顿定律计算地球的逃逸速度，该速度为每小时25 000英里（约40 234公里）。这是人类宇航员在1969年成功登月时必须达到的速度。如果未达到地球的逃逸速度，飞行器将围绕地球运动或掉回地球。

1783年，一位名叫约翰·米歇尔（John Michell）的天文学家问了自己一个看似简单的问题：如果逃逸速度是光速，会发生什么？如果发出光束的恒星的质量足够大，以至其逃逸速度就是光速，也许光也不能逃逸。该恒星发出的所有光最终都会落回到恒星中。米歇尔称这些由于光无法逃脱其巨大引力而看上去呈现为黑色的天体为暗星。早在17世纪，科学家对恒星物理学知之甚少，不知道光速的正确数值，这个想法因此消沉了几个世纪。

1916年，德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）作为炮兵驻扎在对抗俄国的前线。在那场血腥战争（第一次世界大战）中，他抽出时间阅读并消化了爱因斯坦1915年那篇著名的广义相对论论文。在杰出的数学洞察力的灵光一闪中，史瓦西设法找到了爱因斯坦方程式的一个精确解。他没有去求解难度更高的星系或宇宙方程，而是从所有可能的物体中寻求最简单的一个微小的点粒子开始。该物体反过来能够用于近似一个从远处看来是球形恒星的引力场。于是，人们可以将爱因斯坦的理论与实验进行比较。

爱因斯坦对史瓦西论文的反应是欣喜若狂。爱因斯坦意识到，自己的方程式可以进行更精确的计算，例如，星光绕过太阳时的弯曲和水星轨道的摇晃。因此，他不再对方程只作粗略的近似计算，而是根据自己的理论计算出精确结果。这是里程碑式的突破，对于理解黑洞至关重要。（史瓦西作出杰出的发现后不久就去世了，悲伤的爱因斯坦为他写了一封感人的悼词。）尽管史瓦西的解产生了巨大的影响，但也提出了一些令人困惑的问题。从一开始，他的解就具有奇异的属性，这些属性拓宽了我们对空间和时间的理解。围绕超大质量恒星的是一个假想的球体（他称其为魔术球体，今天称为视界）。球体之外远处的引力场近似于普通的牛顿的引力场，因此史瓦西的解可用来近似引力。但是，如果你不幸地接近恒星并越过了视界，你将永远被困住并被挤压至死。视界是无法返回的界限，任何落入其中的东西都不会再出来。

当你接近视界时，会发生更奇怪的事情。例如，你会遇到可能被捕获了数十亿年且仍在绕恒星运行的光束。脚上的引力会大于头上的引力，因此你会像意大利面条一样被拉伸。实际上，这种像面条一样被拉伸的情况非常严重，甚至你体内的原子也会被拉开并最终瓦解。

从远处观看这一非凡事件，视界边缘处的宇宙飞船内的时间似乎逐渐变慢了。站在局外人的角度，随着飞船驶向视界，时间似乎逐渐停止。值得注意的是，船上的宇航员认为时间是正常的——直到他们被撕裂以前。

这个概念实在奇怪，以至于数十年来一直被认为是科幻小说的情节，是爱因斯坦方程式奇怪的副产品，并不存在于现实世界。天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）曾写道：“应该有一种自然法则以防止恒星以这种荒谬的方式行事！”

对此，爱因斯坦甚至写了一篇论文，在正常条件下永远不会形成黑洞。1939年，他证明了一个旋转的气体球永远不会被引力压缩到视界之内。

具有讽刺意味的是，同年，罗伯特·奥本海默和他的学生哈特兰·斯奈德（Hartland Snyder）阐明，黑洞确实可以形成于爱因斯坦没有预见到的自然过程。如果观察一颗比太阳大10—50倍的巨型恒星，当其核燃料耗尽时，可能会爆炸而形成超新星。如果爆炸的残余是一颗被引力压缩到其视界的恒星，它可能会坍缩为黑洞。太阳的质量不足以经历一次超新星爆炸，其视界约2英里（约3.2公里）。没有已知的自然过程会将太阳压缩到2英里（约3.2公里），因此太阳不会成为黑洞。

物理学家发现，至少有两种类型的黑洞。第一种类型的黑洞即如上所述的巨星遗迹。第二种类型的黑洞位于星系中心，这些银河系黑洞的质量可能比我们的太阳大数百万甚至数十亿倍。许多天文学家相信，每个星系的中心都有黑洞。

近几十年来，天文学家已在太空中辨认出了数百个可能的黑洞。在我们银河系的中心有一个巨大的黑洞，其质量是太阳质量的二百万到四百万倍，它位于人马座。（不幸的是，尘埃云遮盖了该区域，因此我们看不到它。但如果尘埃云消失了，那么，每天晚上，一个巨大、炽烈的恒星火球将照亮夜晚的天空，也许还胜过月亮——黑洞位于其中心。这确实是一幅壮观的景象。）

当量子理论被应用到引力时，出现了最新的有关黑洞的令人兴奋的事情。这些计算源源不断地给出出乎意料的结果，挑战我们想象力的极限。结果表明，引领我们探索这片未知领域的理论指南已完全失效。

史蒂芬·霍金是剑桥大学的研究生，一个普通的年轻人，没有太多的方向和目标。他接受了成为物理学家的培养，但他的心不在那儿。显然，他很聪明，但他似乎并不专心。而后，有一天，他被诊断出患有肌萎缩性侧索硬化症（ALS），并被告知会在两年内死亡。尽管他的智力未受影响，但身体会迅速崩溃，所有的功能逐渐丧失直到去世。他非常沮丧，内心恐惧，意识到自己此前的生命实在颓废。

他决定将余生奉献于有益的事情。对他来说，这意味着解决物理学中最大的问题之一：将量子理论应用于引力。幸运的是，其疾病的恶化速度比医生的预测慢得多。因此，即使他被限制在轮椅上并失去了对四肢乃至声带的控制能力，仍能继续在这一新领域进行突破性的研究。霍金曾邀请我在他组织的一次会议上发表演讲。我高兴地参观了他的房子，并对他身边的各种小工具感到惊讶。一个设备是翻页器，你可以将日记放入此装置，它将自动翻页。他决心不让疾病影响自己偏离其人生目标，其决心之大给我留下了深刻的印象。

那时，大多数理论物理学家都在研究量子理论，一小撮离经叛道者和顽固分子仍试图找到爱因斯坦方程的更多解。霍金问了自己一个不同但深刻的问题：将相对论和量子理论这两个体系结合起来，将量子力学应用于黑洞，会发生什么？

他意识到计算引力的量子修正的问题太难解决。因此，他选择了一个简单一些的任务：仅计算黑洞内的原子的量子修正，忽略复杂的引力子的量子修正。

他对黑洞的认识越多，越意识到出了问题。他开始怀疑传统的观点：任何东西都不能从黑洞逃逸。这个说法违反了量子理论。在量子力学中，一切都是不确定的。黑洞看起来很黑，是因为它能吸收一切东西。不过，绝对的黑度违反了不确定性原理，因此黑度也必须是不确定的。

他得出了具有革命性的结论：黑洞一定会发出非常微弱的量子辐射。

然后，霍金证明，黑洞发出的辐射实际上是黑体辐射的一种形式。他认识到，真空并非彻底的虚无状态，其中一定存在量子活动。他据此计算了黑洞辐射。在量子理论中，即使是虚无，也处于持续不断翻腾打转的不确定状态——电子和反电子可能突然从“真空”中跳出，发生碰撞并消失回到“真空”中。因此，虚无中仍有量子活性的泡沫。然后，他意识到，如果引力场足够强，可以在“真空”中产生电子-反电子对，从而形成所谓的虚拟粒子。如果其中一个成员落入黑洞，而另一个粒子逸出，这就构成了所谓的霍金辐射。产生这对粒子的能量来自黑洞引力场中包含的能量。根据霍金辐射，由于第二个粒子永远离开黑洞，则意味着黑洞的物质和能量的净含量及其引力场将减小。

我们将这称为黑洞蒸发，它描述了所有黑洞的最终命运：它们将轻微地辐射（霍金辐射）达数万亿年，直到耗尽所有辐射并在炙热的爆炸中死亡。因此，黑洞也具有有限的寿命。

可以推演，千万亿年后，宇宙将因恒星耗尽了所有的核燃料而变得黑暗。在那个黯淡的时代，只有黑洞能够生存。最终，黑洞也必然被蒸发掉，只剩下漂移的亚原子粒子海洋。霍金问了自己另一个问题：如果把书扔进黑洞会怎样？那本书中的信息会永远丢失吗？

根据量子力学，信息永远不会丢失。即使你烧掉一本书，也可以通过单调乏味地分析已烧掉的纸张的分子对其进行重建。

但是，霍金说，投掷在黑洞中的信息确实会永远丢失。显然，量子力学在黑洞中遭遇了失败。这可捅了马蜂窝，引起了巨大的争议。

如前所述，爱因斯坦曾经说过，“上帝不会与世界玩骰子”，也就是说，你不能将一切都归结到机会和不确定性上。霍金补充道：“有时，上帝会将骰子扔到你找不到的地方”，也就是说，骰子可能落入黑洞，量子定律可能失效。因此，当你超越视界时，不确定性规律会失效。

从那时起，许多物理学家开始为量子力学辩护。他们阐明，在诸如弦理论（我们将在下一章讨论）一类的高级理论中，即使在存在黑洞的情况下也可以保留信息。最终，霍金承认，自己也许错了。同时，他提出了自己的新解答，“也许，当你将书扔进黑洞时，信息并不会如他曾想象的那样永远消失，而是以霍金辐射的形式流失，重建原来的书籍所必需的所有信息已编码在微弱的霍金辐射里。”

总之，信息是否会在黑洞中丢失，仍然是学界激烈争论的话题。也许，必须等到包含引力子量子修正的终极的引力量子理论出现，才能得到答案。在这期间，霍金转向了下一个令人困惑的问题，涉及量子理论与广义相对论的结合。

如果黑洞吞噬了所有东西，那么，所有的这些东西去了哪儿？

简短的答案是，不知道。问题也许要通过量子理论与广义相对论的统一来解决。

只有当我们最终找到了引力的量子理论（不仅是物质的量子理论）时，才能回答这个问题：黑洞的另一端是什么？

但是，如果我们盲目地接受爱因斯坦的理论，就会陷入麻烦，因为其方程式预测，引力在黑洞正中心或时间开始的瞬间为无穷大，这显然是荒谬的。

1963年，数学家罗伊·克尔（Roy Kerr）为爱因斯坦的旋转黑洞方程组找到了全新的解。在这之前，在史瓦西的工作中，黑洞会坍缩成一个固定的微细小点（奇点），奇点中的引力场变为无穷大。不过，如果针对一个旋转的黑洞分析爱因斯坦的方程式，克尔发现会有奇怪的事情发生。

第一，黑洞不会坍缩成一个点。相反，它会塌陷为一个飞速旋转的环。（旋转环上的离心力足以防止它在自身的引力作用下坍缩。）

第二，如果你掉入环中，很可能不会被碾压致死，而是穿过环。环内部的引力实际上是有限的。

第三，数学表明，当你通过圆环时，可能进入了平行的宇宙。你真实地离开了我们的宇宙，进入了另一个姊妹宇宙。设想有两张纸，一张叠在另一张之上。然后，用吸管穿过它们。通过吸管，你能离开一个宇宙并进入平行宇宙。我们将这种吸管称为虫洞。

第四，当你重新进入环时，可能会继续走向另一个宇宙。就像在公寓楼里乘电梯一样，从一层到另一层，从一个宇宙到另一个宇宙。每次重新进入虫洞，你都可能进入一个全新的世界。因此，这引入了黑洞的令人震惊的新图景。在一个旋转的黑洞的正中央，我们发现了类似于爱丽丝魔镜的东西。魔镜的一端，我们身处英格兰牛津的宁静乡村。但是，如果你将手伸入魔镜，则可能会被卷到其他什么地方。

第五，如果你成功地穿越了环，也有机会最终落到你原来的宇宙的某个遥远区域。因此，虫洞也可以像地铁系统，在时空上走一条看不见的捷径。而计算表明，你也许能以比光速更快的速度移动，甚至可以在时间上回退到过去，也许还不违反已知的物理定律。

这些离奇的结论，无论多么离谱，都不能被轻易摒弃，因为它们是爱因斯坦方程式的解，且它们描述的还是旋转的黑洞。今天，这种黑洞是我们认为最常见的一种。

实际上，虫洞是爱因斯坦本人于1935年在他与纳森·罗森（Nathan Rosen）的论文中首次引入的。他们想象了两个黑洞连接在一起的情况，在时空上类似于两个漏斗。如果你掉入一个漏斗，将从另一个漏斗的末端被推出而不会被碾死（见图10）。

图10　两个黑洞相连。原则上，通过虫洞，人们可以到达另一星系甚至回到过去。

T.H.怀特（T.H. White）的小说《曾经与未来之王》中有一句经典的话，“一切不被禁止的都是必然出现的。”实际上，物理学家很重视这一说法。除非有禁止某个现象的物理定律，否则，它可能存在于宇宙中的某个地方。

例如，尽管虫洞很难制造众所周知，但一些物理学家推测，虫洞可能在时间开始时就已经存在了，然后在大爆炸之后扩张了。也许，它们是自然存在的。有一天，我们的望远镜可能在实际的太空中看到一个虫洞。尽管虫洞激发了科幻小说家的想象力，但要在实验室中真实创建一个虫洞却非常困难。

首先，你需要聚集大量的正能量（相当于黑洞的能量）才能打开穿越时空的通道。仅此一项就需要非常先进的技术。因此，业余发明家在其地窖实验室中创建虫洞的可能性变得极低。

其次，这种创建的虫洞不稳定并会自行关闭，除非有人添加一种新的、奇特的成分，负物质或负能量，它们与反物质完全不同。负物质和负能量具有排斥性，可以防止虫洞坍缩。

物理学家从未见过负物质。实际上，它会服从反引力作用，因此它会“掉上去”而不是“掉下来”。如果负物质在数十亿年前存在于地球上，那么，它将被地球的引力所排斥，并被抛到外层空间。因此，我们在地球上发现负物质不值得期望。

与负物质相反，负能量在实际中真实存在，但因能量太小而没有实用价值。只有非常先进的文明，也许比我们先进几千年，才能创造出足够的正能量和负能量以制造虫洞，然后防止其崩溃。（量子理论预测，在原子尺度上，负能量能以卡西米尔效应的形式存在。该效应已通过实验验证，但因太小而无法使用。因此，确实存在负能量，但在现实意义上又不存在。）

再次，引力本身的辐射（称为引力子辐射）也许就足以引起虫洞爆炸。

最后，关于当你陷入黑洞时会发生什么事情的问题，其终极答案必须等待正确的、物质和引力都能量子化的包罗万象的万能理论。

一些物理学家认真地提出了一个有争议的想法，即当恒星掉入黑洞时，它们不会被压碎成奇点，而是被吹出到另一侧，从而形成一个白洞。白洞遵循与黑洞完全相同的方程式，只是时间箭头相反，因此物质从白洞中喷涌而出。物理学家一直寻找着太空中的白洞，但迄今为止并无结果。提出白洞的目的是，也许大爆炸原本是一个白洞，而我们在天上看到的所有恒星和行星都是从白（黑）洞中甩出来的——大约140亿年前。

关键在于，只有万能理论才可以告诉我们黑洞的另一端是什么。只有计算出对引力的量子修正，才能回答虫洞引起的最深层的问题。

但是，如果虫洞有可能于某一天带我们瞬间跨越整个银河系，那么，它有可能带我们回到过去吗？

自H.G.威尔斯（H.G. Wells）的《时间机器》开始，时间旅行便成为了科幻小说的主题。我们可以在三个维度（向前、向侧面、向上）上自由移动，因此也许有一种方法可以在第四维度（时间）中移动。威尔斯设想进入一台时间机器，旋转时间表盘，然后飞越几十万年，直到公元802701年。

自那以后，许多科学家尝试研究时间旅行的可能性。当爱因斯坦在1915年首次提出引力理论时，他担心自己的方程式可能会扭曲时间，以至于人们可以回到过去，他相信这将表明他的理论存在缺陷。但是，这个令人困扰的问题于1949年成为了现实。当时他在普林斯顿大学著名的高等研究院的邻居，伟大的数学家库尔特·歌德尔（Kurt Gödel）发现，“如果宇宙旋转，且一个人可以足够快地绕着旋转的宇宙行进，他就可以回到过去，即返回到离开起点之前。”这种非正统的解使爱因斯坦大为震惊。爱因斯坦在回忆录中得出结论，即使时间旅行在歌德尔的宇宙中是可能的，也可以“在物理基础上”摒弃它，即宇宙膨胀且没有旋转。

现在，尽管一些物理学家仍然不相信时间旅行的可能性，但他们却非常严肃地看待这个问题。已经发现了多种爱因斯坦方程式的解，可以进行时间旅行。

对牛顿来说，时间就像一支箭。一旦发射，它将一分不差地在整个宇宙中以匀速前进。地球上的一秒钟也是太空中的一秒钟。时钟可以在宇宙中的任何地方同步。然而，对爱因斯坦来说，时间更像一条河。当它蜿蜒穿过恒星和星系时，它可能会加速或减速。时间可以在宇宙各地以不同的速度行进。然而，新的图景表明，时间的河流中也许还存在着可能将你冲回到过去的漩涡（物理学家称其为CTC）。又或者，时间线会分裂，创造出两个平行的宇宙。

霍金对时间旅行非常着迷，以至于他向其他物理学家提出了挑战。他认为，必然存在一个尚未被发现的隐藏的物理定律，即他称之为的时间顺序保护猜想，一劳永逸地排除了时间旅行。但是，无论如何努力，他仍然无法证明这一假设。显然，这意味着时间旅行仍然存在科学上的可能性。

霍金靠脸颊控制电脑说话，他说时间旅行不可能的原因在于：“从未来归来的游客在哪儿？”任何重大的历史事件，一定会有成群的带着相机的游客，疯狂地试图获得事件的最佳画面，以向未来的朋友展示。

请暂且考虑一下，如果你拥有一台时间机器，你可能会搞哪些恶作剧。时间倒流，你可以在股票市场上押注并成为亿万富翁；你可以更改过去事件的进程，历史将无法再书写，历史学家将失业。(www.xing528.com)

当然，时间旅行的确存在许多严重的问题，有许多与时间旅行相关的逻辑悖论，例如：

·使现在变成不可能：如果时间倒流，你与幼童时期的祖父见面并杀死了他，你如何能存在？

·来自不明出处的时间机器：未来的某人将带你穿越时空。多年后，你将时间倒流，并将时间旅行的秘密传递给了年轻的自己。那么，时间旅行的秘密究竟来自何方？

·成为自己的母亲：科幻小说作家罗伯特·海因莱因（Robert Heinlein）撰写过有关自己改写家谱的文章。假设一个孤女长大，但变成了一个男人。然后，男人回到过去，认识了自己（这个孤女），并有了一个女婴。然后，该男子将女婴带回到更早的时候，并将婴儿送至同一个孤儿院，然后重复该过程。这样，她成为了自己的母亲、女儿、祖母、孙女等。

最终，解决所有这些悖论的终极方案可能来自完整的量子引力理论的公式化表达。例如，也许当你进入一台时间机器时，你的时间线可能会分裂，并创建出一个并行的量子宇宙。假设你回到过去，去拯救亚伯拉罕·林肯在福特剧院免遭暗杀。那么，也许你的确拯救了亚伯拉罕·林肯，但那是发生在一个平行的宇宙中。因此，你原来的宇宙中的亚伯拉罕·林肯死了，并未发生任何改变。这里，宇宙已经分裂为两个，你已经将林肯总统保存在一个平行宇宙中。

因此，假设时间线可以分裂为两个平行的宇宙，那么，所有时间旅行的悖论都可以得到解决。

只有当我们能够计算之前一直忽略的量子修正时，才能确定地回答时间旅行的问题。物理学家已经将量子理论应用于恒星和虫洞，但关键的问题是要通过引力子将量子理论应用于引力本身，这必须使用万能理论。

这个讨论提出了一些有趣的问题。量子力学可以充分解释大爆炸的本质吗？应用于引力的量子力学能否回答科学的重大问题之一：大爆炸之前发生了什么？

宇宙从何而来？是什么启动了宇宙？这些也许是所有神学和科学问题中最伟大的问题，引起了无休止的推测和思索。

古埃及人认为，宇宙始于漂浮在尼罗河中的一个宇宙蛋。一些波利尼西亚人认为宇宙始于一个宇宙椰子。基督徒相信，当上帝说：“要有光”时，宇宙就开始运转了。

宇宙的起源使物理学家着迷，特别是当牛顿提出引人注目的引力论的时候。但是，当牛顿试图将他的理论应用于我们在周围看到的宇宙时，他遇到了难题。

1692年，牛顿收到理查德·本特利（Richard Bentley）牧师的一封令人不安的信。在这封信中，本特利请牛顿解释他的理论中的一个隐藏的，也许是颠覆性的漏洞。如果宇宙是有限的，且万有引力始终是引力而不是排斥力，那么终极宇宙中的所有恒星将相互吸引。实际上，只要有足够的时间，它们一定会合并为一颗巨大的恒星。因此，有限的宇宙应该是不稳定的，最终必然崩溃。既然这种情况没有发生，那么，牛顿的理论一定存在漏洞。

接下来，他认为牛顿定律预言了不稳定的宇宙。在一个宇宙中，有无穷的恒星，从左侧和右侧拉动一颗恒星的所有力的总和也是无穷的。因此，这些无穷的力最终会将恒星撕裂，故而所有恒星都将解体。

牛顿对这封信感到极度不安，因为他此前从未考虑过将其理论应用于整个宇宙。最终，牛顿为这个问题想出了一个巧妙但不完备的答案。

是的，他承认，如果引力总是吸引的，从不排斥，那么宇宙中的恒星可能会变得不稳定。这种说法存在漏洞。假设宇宙在各个方向上平均而言完全均匀且无限，在这样的静态宇宙中，所有引力将相互抵消，宇宙再次变得稳定。对于任何恒星，来自所有遥远恒星在不同方向上作用于它的引力的总和终究为零，因此宇宙不会坍缩。

尽管这是解决此问题的巧妙方法，但他明白这样的解答仍然存在问题。宇宙平均而言可能是均匀的，但不可能在所有点上都是完全均匀的，因此必然存在微小的偏差。就像纸牌屋一样，它看起来很稳定，但最小的瑕疵也能导致整个结构的坍塌。牛顿非常聪明，他知道均匀的宇宙虽然是稳定的，但仍然摇摇欲坠。换句话说，无穷的力的抵消必须无限地精确，否则宇宙将崩溃或裂开。

因此，牛顿的最终结论是，宇宙平均而言是无限且均匀的，但上帝偶尔也需要轻微调整下宇宙中的恒星，使得它们不会在引力的作用下坍缩。

这又引出了另一个问题。如果宇宙果真如此，那么，无论我们在何处观察太空，其目光最终都会遇上一颗恒星。由于有无数的恒星，因此必然有无数的光从各个方向进入我们的眼睛。按照这个逻辑，夜空应该是白色的，而不是黑色的。这就是所谓的奥伯斯悖论。

历史上一些伟大的思想家试图解决这个棘手的问题。例如，开普勒声称宇宙是有限的，从而排除了悖论。其他人则认为尘埃云遮蔽了星光。但这不能解释该悖论，因为在无限长的时间内，尘埃云开始加热，然后发出类似于恒星的黑体辐射。于是，宇宙又变成白色的了。

最终答案由埃德加·爱伦·坡（Edgar Allan Poe）在1848年给出。爱伦·坡是一名对悖论着迷的业余天文学家，他说，“如果我们回到足够远的过去，一定会到达宇宙开始的那个断点。因此，夜空是黑色的。”换句话说，夜空的黑色是因为宇宙具有有限的年龄。我们不会从无限的过去接收光（那会使夜空变白），因为宇宙从来没有无限的过去。这意味着凝视最远恒星的望远镜最终将到达大爆炸本身的黑色。

这里，真正令人惊讶的是，仅依据纯粹的思维而无需任何实验就能得出“宇宙必然有一个起点”的结论。

1915年，在爱因斯坦提出广义相对论的时候，他不得不面对这些令人困惑的悖论。

20世纪20年代，在爱因斯坦首次试图将其理论应用于宇宙本身时，天文学家就告诉他，“宇宙是静止的，既不会膨胀也不会收缩。”但当时的爱因斯坦发现自己的方程里有些扰动。在他试图排除干扰的时候，方程式告诉他宇宙是动态的，也许膨胀也许收缩。（这确实是理查德·本特利所提出的问题的解决方案，虽然他当时还没有意识到这一点。因为膨胀，宇宙克服了坍缩的趋势，所以宇宙并未在引力的作用下坍缩。）

为了找到一个静止的宇宙，爱因斯坦被迫在自己的方程中添加了一个含糊的因子（称为宇宙常数）。通过手工调整它的值，可以消除宇宙的膨胀或收缩。

后来，1929年，天文学家爱德文·哈勃（Edwin Hubble）使用威尔逊山天文台的望远镜获得了惊人的发现。就像爱因斯坦最初预测的那样，宇宙在膨胀。他通过分析遥远星系的多普勒频移获得了这一历史性发现。（当恒星渐渐远离我们时，其光波的波长会伸长，从而使其略带红色。当恒星朝我们移动时，波长将被压缩，变为略带蓝色。通过仔细分析星系，哈勃发现，平均而言，银河系发生了红移，因此正远离我们而去，宇宙正在膨胀。）

1931年，爱因斯坦访问了威尔逊山天文台，并与哈勃会面。爱因斯坦被告知宇宙常数是不必要的，因为宇宙在不断膨胀，他承认宇宙常数是自己的“致命失误”。（实际上，正如我们即将看到的那样，近年来宇宙常数又卷土重来了。因此，即使是他的失误，也似乎打开了全新的科研领域。）

还可以更进一步，去计算宇宙的年龄。由于哈勃可以计算出星系移动的速率，因此可以“将录像带回放”，计算这种膨胀发生了多长时间。最初，关于宇宙年龄的答案是18亿年。这很尴尬，众所周知，地球的年龄也比它大，46亿年。幸运的是，普朗克卫星的最新数据将宇宙年龄确定为138亿年。

当物理学家开始将量子理论应用于大爆炸时，发生了又一次的宇宙学革命。出生于俄国的美国核物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）想到，如果宇宙是由巨大的超热爆炸开始的，那么，其中的一些热量在今天是否仍然存在。如果我们将量子理论应用于大爆炸，那么，原始的火球一定是一个量子黑体辐射体。由于黑体辐射的特性众所周知，因此作为大爆炸的余晖或回声的这个辐射值确有可能被计算出来。

利用1948年获得的原始实验数据，伽莫夫及其同事拉尔夫·阿尔菲（Alpher Asher）、罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）计算出，大爆炸的余晖温度比绝对零度约高5度，这是宇宙冷却数十亿年后的温度。

这一预测于1964年得到了证实，当时，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）利用巨大的霍姆德尔（Holmdel）射电望远镜探测到了太空中的这种残留辐射。起初，他们以为背景辐射或是设备缺陷所致。据说他们在普林斯顿大学演讲时，听众中有人调侃，“要么你发现了鸟粪，要么你发现了宇宙起源。”这使他们意识到了错误（并非设备缺陷）。为了检验，他们必须小心翼翼地从射电望远镜上刮下所有的“鸽粪”。

今天，微波背景辐射已成为大爆炸最有说服力且令人信服的证据。如预测的那样，来自卫星的背景辐射照片显示出，能量（残留辐射）均匀分布在宇宙各处，均匀分布在一个“火球”上。（当你在收音机上听到静电时，其中的某些静电实际上来自大爆炸。）

事实上，这些卫星照片现在已精确到可以在背景辐射中检测出量子不确定性原理所导致的涟漪。在宇宙诞生的瞬间，应该有引起这些涟漪的量子涨落，完全平滑的大爆炸违反不确定性原理。这些涟漪最终会随着大爆炸而扩大，创造了我们看到的星系。（实际上，如果我们的卫星没有在背景辐射中检测到这些量子涟漪，那么它们的缺失会破坏将量子理论应用于宇宙的希望。）

这给了我们一幅与量子理论有关的非凡的新图景。我们得以存在于数十亿个星系中的银河系的事实，实际上是由于原始大爆炸中的这些微小的量子涟漪所致。你今天所看到的一切，数十亿年前只是背景辐射中的一个小点。

将量子理论应用于引力的下一步，是将量子理论和标准模型的经验应用于广义相对论。

受到20世纪70年代标准模型成功的鼓舞，物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）和安德烈·林德（Andrei Linde）都曾自问：从标准模型和量子理论中学到的经验可以直接应用于大爆炸吗？

这是一个新颖的问题，因为尚未有人将标准模型应用于宇宙学。古斯注意到，关于宇宙大爆炸有两个无法解释的令人费解的问题。

第一，平坦度问题。爱因斯坦的理论指出，时空的结构应具有轻微的曲率。但是，当分析宇宙的曲率时，它似乎比爱因斯坦的理论所预测的要平坦得多。实际上，宇宙在实验误差之内似乎是完全平坦的。

第二，均匀问题。宇宙实在太均匀。在大爆炸中，原始火球内应该有不规则和不完善之处。现实中，无论我们注视天空任何方向，宇宙似乎完全均匀。

这两个问题都可以求助于量子理论，利用被古斯称为膨胀的现象来解决。首先，根据这个理论，宇宙先经历了一个“涡旋式增强”膨胀过程，这比最初为大爆炸设想的要快得多。这种奇妙的膨胀使宇宙变得平坦，且消除了原始宇宙所具有的任何曲率。

其次，原始宇宙可能是不规则的，但原始宇宙中的一小块是均匀的，并膨胀到了较大规模。因此，这可以解释为什么今天的宇宙看起来如此均匀，因为我们来自导致大爆炸的那个大火球的一个细小而均匀的碎片。

膨胀的启示是深远的。这意味着人类在我们周围看到的可见宇宙实际上是一个更大的宇宙中的一个微细的、无穷小的部分。大宇宙距离我们太遥远，以至于我们永远不能看到它。

但说到底，导致宇宙膨胀的原因是什么？为什么宇宙会持续膨胀？于是，古斯从标准模型中找到了灵感。在量子理论中，你从对称性开始，然后用希格斯玻色子打破它，可以得到我们看到的周围的宇宙。类似地，古斯随后提出理论，也许有一种新型的希格斯玻色子（称为暴涨子）使膨胀成为可能，“像原来的希格斯玻色子一样，宇宙开始于一个假真空，该假真空给我们带来一个快速膨胀的时代。随后，在暴涨子场中出现了量子泡沫，在气泡内部出现了真真空，快速膨胀停止了。我们的宇宙就是这些气泡之一。在气泡中，宇宙放慢了速度，给我们带来了今天的膨胀。”

迄今为止，膨胀似乎符合天文数据。它是当前的主导理论，但也带来了意外的结果——如果我们引用量子理论，大爆炸会一次又一次地发生，我们的宇宙之外也许不断诞生着新宇宙。

这意味着我们的宇宙只是宇宙泡泡浴中的单个气泡，这将创造出由平行宇宙构成的多元宇宙。同时，它仍然留下了一个棘手的问题：什么是膨胀的推动力？正如我们将在下一章中看到的，这需要更高级的理论——万能理论。

广义相对论不仅使我们对宇宙的开端有了空前的认识，还使我们对宇宙的终极命运有所了解。当然，古代宗教给了我们时间终结的鲜明印象。古代的维京人相信，当一场巨大的暴风雪席卷整个星球时，世界将终结于仙境传说或诸神的黄昏，那时诸神将与他们的天敌进行最后的决斗。对基督徒而言，《启示录》预言了灾难和大洪水。

对物理学家来说，传统上事物的终结有两种方案。第一种方案，如果宇宙的密度过低，那么来自恒星和星系的引力不足以逆转宇宙膨胀，宇宙将永远膨胀并在“大冷冻”中缓慢死亡。恒星最终会耗尽所有的核燃料，天空变黑，甚至黑洞也将蒸发。宇宙将终结于超冷的、无生命的大海，亚原子粒子在大海中漂移。

第二种方案，如果宇宙足够密集，那么来自恒星和星系的引力足以逆转宇宙膨胀。然后，恒星和星系最终将坍缩成一场“大崩溃”。在这个过程中，温度会飙升，宇宙中的所有生命被吞噬。（一些物理学家猜想，宇宙可能随后会在另一次大爆炸中反弹，形成一个振荡的宇宙。）

不过，1998年，天文学家做出了惊人的预言，推翻了许多我们过去珍视的观点，并迫使我们修改教科书。通过分析整个宇宙中遥远的超新星，他们发现宇宙并未像以前认为的那样放慢膨胀速度，而是在不断加速。实际上，它正在进入逃逸模式。

此时，他们不得不修改前面提到的两种方案，出现了一个新的理论。也许，宇宙会死于所谓的“大撕裂”，宇宙的膨胀会加速到令人目眩的速度。宇宙会迅速地膨胀，以至于夜空变为绝对黑暗（因为光线无法从邻近的恒星到达我们），同时万物趋近于绝对零度。

在这样的温度下，生命将不复存在，甚至外层空间中的分子也将失去能量。

导致这种逃逸式膨胀的原因可能是爱因斯坦在20世纪20年代丢弃的东西：宇宙常数、真空的能量（今天称暗能量）。令人惊讶的是，宇宙中的暗能量数量巨大。宇宙中所有物质和能量的68.3%都以这种神秘的形式存在。（总的来说，暗能量和暗物质构成了大部分物质/能量，但它们是两种不同的实体，不应相互混淆。）

具有讽刺意味的是，这无法用任何已知的理论去解释。如果人们试图盲目地计算宇宙中暗能量的数量（使用相对论和量子理论的假设），会发现该值比实际值大10120倍！

这是整个科学史上最大的误差。风险实在太高，宇宙本身命悬一线。

逃逸式的膨胀可以告诉我们，宇宙本身将如何死亡。

尽管对广义相对论的研究停滞了数十年，但量子理论在相对论中的最新应用却开辟了意想不到的崭新前景，特别是随着强大的新仪器投入使用，新的研究蓬勃开展起来。

但到目前为止，我们仅讨论了将量子力学应用于在爱因斯坦理论的引力场内运动的物质。我们还未讨论一个更困难的问题：以引力子的形式将量子力学应用于引力本身。

我们遇到的最大问题是寻找引力的量子理论，数十年来该问题一直困扰着世界各地的伟大物理学家。这里，让我们先回顾一下迄今所学的知识。记得当年我们将量子理论应用于光时，我们引入了光子，即光的粒子。光子移动的时候，它的周围环绕着电场和磁场。这些电磁场持续振荡，渗透到周围空间，且遵循麦克斯韦方程。这就是为什么光既具有粒子性质，又具有波状性质的原因。麦克斯韦方程组的威力在于对称性，即电场转化为磁场、磁场又转化为电场这种相互转化的能力。

当光子撞击到电子时，描述这种相互作用的方程式给出的结果是无穷大。但是，使用费曼、施温格、朝永振一郎（Tomonaga）和其他许多人设计的技巧，我们可以将所有的无穷大隐藏起来。由此产生的理论称为量子电动力学。接下来，我们将此方法应用于核力。用杨-米尔斯场来替代原来的麦克斯韦场，并用诸如夸克、中微子等一系列粒子替代电子。然后，我们应用由胡夫特和他的同事设计的一系列新技巧，以再次消除所有的无穷大。

于是，现在可以将宇宙四种力中的三种统一成一个单一的理论——标准模型。这个理论不漂亮但奏效，因为它是通过将强核力、弱核力、电磁力的对称性拼凑而创建。然而，当我们将这种久经检验的方法应用于引力时，却遇到了问题。

理论上，引力粒子应称为引力子。与光子类似，它是一个点粒子。当它以光速运动时，它被服从爱因斯坦方程的引力波包围。

实际上，当引力子碰到其他引力子或原子的时候，问题出来了：碰撞会得出无穷大的结果。当人们试图运用过去70年探索出来的各种技巧时，我们发现毫无效果。21世纪最聪明的头脑努力试图解决这一问题，但目前仍没有人取得成功。

显然，必须使用一种全新的方法，因为所有简单的想法都已被研究并抛弃。我们需要真正新鲜的东西。这将我们引向物理学中最具争议的理论——弦理论。事实上，弦理论很可能已经恰好疯狂到足以成为万能理论。