黑洞的威胁：宇宙熵达到最大

黑　洞

当然，地球只要还处在目前的条件下，它看来是不会收缩变小的。事实上，任何比地球更小的天体都不会发生收缩。哪怕是一些比地球大一些的天体，例如质量为地球质量318倍的木星，它们本身也绝不会发生收缩。

然而，恒星最终必然会发生收缩。恒星的质量比行星大得多，它们具有非常强大的引力场，一旦它们的核燃料被消耗而减少到临界点以下，以致所产生的热量不足以同它们的引力相抗衡，它们就会发生收缩。至于它们会收缩到什么程度，这取决于收缩天体的引力场的强度，也就是取决于收缩天体的质量。如果收缩天体的质量足够大，据我们目前所知，它的收缩就不受限制，会一直收缩到体积等于零。

当一颗恒星收缩时，在距离它相当远的地方的引力场不会发生变化，但它表面上的引力场却会无限制地增大。结果，随着恒星的收缩，它表面上的任何物体逃离它的逃逸速度会变得越来越大。换句话说，随着一颗恒星发生收缩和它的表面引力变得越来越大，该恒星表面上的任何物体会越来越难以克服它的引力束缚而脱离开去。

例如在目前，脱离太阳表面的逃逸速度是每秒617千米，这将近是脱离地球表面的逃逸速度的55倍。太阳的这个逃逸速度还不算大，所以太阳表面的物质能够相当容易地脱离太阳而逃逸出来。太阳（以及任何其他恒星）一直在向四面八方发射着高速运动的亚原子粒子。

可是，一旦太阳发生收缩，它的表面引力随之增大，它的逃逸速度就会变大，增加到每秒几千千米，每秒几万千米，乃至每秒几十万千米。最后，太阳的逃逸速度会增大到等于光速，即每秒300 000千米。

当一颗恒星（或者任何其他天体）收缩到它的逃逸速度等于光速时，我们就说它的半径收缩到了“施瓦西半径”。这个名称的由来，是因为德国天文学家施瓦西（Karl Schwarzschild，1873—1916）最先讨论过这个问题。不过，一直到1939年，美国物理学家奥本海默（J.Robert Oppenheimer，1904—1967）才第一次从理论上全面分析了一颗恒星收缩到具有施瓦西半径时的特性。

地球如果发生收缩，它收缩到半径等于1厘米时就达到了它的施瓦西半径。一个球体的半径只有它直径的一半，因此，地球在达到它的施瓦西半径时将是一个直径只有2厘米的小球，而那个小球中却包含有地球的全部质量。太阳如果发生收缩，它保持目前的全部质量收缩到半径等于3千米，就会达到它的施瓦西半径。

科学家们已经完全证明，任何有质量的东西都绝不可能作超光速运动。因此，任何一个天体一旦收缩到它的施瓦西半径或者更小，就不会有任何东西从它那里逃逸出来。⁽¹⁾任何东西只要掉进这样一个收缩的天体，就再也不会从它那里出来，这种收缩的天体就像是空间中的一个无限深的孔洞。甚至光线也无法从这种收缩天体跑出来，所以它是完全漆黑的。美国天文学家惠勒（John Archibald Wheeler，1911—2008）首先用“黑洞”这个术语来称呼这一类天体。⁽²⁾

由此看来，当一颗恒星耗尽它的燃料，而它的质量又大到可以产生足够强的引力场使之收缩到施瓦西半径时，就必定会形成一个黑洞。而且，这还是一种单向过程，也就是说，一个黑洞可以形成，却不可以解体。一个黑洞一旦形成，除了我在后面谈到的一种例外情形，它就将永远存在下去。

此外，任何东西只要一接近黑洞，就必定会被它附近极其强大的引力场所俘获。那个逼近的天体会围绕着黑洞作螺旋式下降，最后终于掉进黑洞里面去。而且，它一旦掉进黑洞，就再也不会重新出现。因此，黑洞看来只会是不断获得质量，而绝不会失去质量。

如果黑洞只是不断地形成，而绝不消失的话，那么，随着宇宙的老化，黑洞的数目便只能是越来越多。而且，如果每一个黑洞的质量只能是增加，而不会减少的话，那么所有的黑洞便只能是不断地长大。这样一来，每过一年，宇宙中的黑洞就会变得越来越多，越来越大。于是随着时间的流逝，宇宙的全部质量中就会有越来越多的部分转移集中到各个黑洞中去。到头来，宇宙中无论哪一个天体都只能在某一个黑洞中找到它的归宿。

按照这样的思路，如果我们是生活在一个开放宇宙中的话，我们就可以想象得到，宇宙的最后结局将不会是在一个无边的稀薄气体的海洋中熵达到最大和出现热寂，甚至也不会是在彼此相隔极其遥远、而且距离一直在不断增大的10亿个星系团的每一个中熵达到最大和出现热寂。在遥远的将来，宇宙似乎会是以形成大量的具有巨大质量的黑洞的方式而使它的熵达到最大，而这些黑洞则存在于彼此相隔极其遥远、而且距离在不断增大的各个星系团中。按照目前的理论，这的确就是一个开放宇宙的最有可能的将来的归宿。

从理论上说，黑洞的引力能量有可能用来大量做功。不难想象，人类可以把黑洞当作一个宇宙大火炉来使用，把不需要的质量投进去，而利用在这个过程中产生出来的辐射能。如果没有多余的质量可以用作燃料，人类甚至还可以去利用一个黑洞的转动能。用这种办法，如果一个黑洞同一颗恒星具有相同的质量，从黑洞能够获取的能量反而会多得多。因此，在一个具有黑洞的宇宙中，人类有可能比在一个没有黑洞的宇宙中支撑更长的时间。

然而，热力学第二定律终归还是要起作用。到最后，宇宙中所有的物质都会跑到各个黑洞里面去而一点不剩，各个黑洞也会不再作转动。到那个时候，不再有可能从黑洞提取能量来做功，宇宙中的熵将会达到最大值。由此看来，比起没有黑洞的热寂来，有黑洞的热寂一旦到来，要想逃脱似乎更加困难得多。当我们面对着的是一些黑洞时，我们很难想象可以靠随机起伏在某些地点产生出低熵小区域。因此，我们也难以想象生命到那时能有办法逃脱它们的最后厄运。

不过，如果宇宙是闭合的，黑洞又将如何与之相适应呢？(www.xing528.com)

考虑到宇宙的想象不出的大尺寸和大质量，可以推想黑洞无论在数目上还是大小上都不断增长的那种过程必定进行得十分缓慢。尽管宇宙到目前已有150亿年的历史，所有的黑洞仍然只占有宇宙总质量的一小部分。⁽³⁾即使再过5000亿年，那时宇宙停止膨胀而转入开始收缩，所有黑洞的质量仍将只占宇宙总质量的一小部分。

可是，宇宙一旦转入开始收缩，形成黑洞的那种灾变过程就会获得额外的动力。在宇宙膨胀阶段形成的那些黑洞多半都集中在各个星系的核心区域，然而在宇宙作收缩时，随着各星系团相互逼近，以及宇宙中的高能辐射越来越丰富，可以肯定，在收缩阶段形成的黑洞会更多，而且每一个黑洞也会长大得更快。到收缩的最后阶段，各个星系团会聚合在一起，各个黑洞也并合成一个黑洞，所以说，整个宇宙收缩成一个宇宙蛋其实就是收缩成一个巨大的宇宙黑洞。具有整个宇宙的质量而只有宇宙蛋大小的东西不可能是别的什么，而只可能是一个黑洞。

那么，既然从一个黑洞不可能冒出任何东西，由于宇宙收缩而形成的那个宇宙蛋怎么又会爆炸而形成一个新宇宙呢？也就是说，那个150亿年以前就已经存在的宇宙蛋，怎么会爆炸开来而形成了我们今天居住在其中的这个宇宙呢？

为了说明这是如何可能的，我们必须知道，并非所有的黑洞都有同样的致密程度。一个天体的质量越大，开始时它表面的引力也越强（如果那是一颗通常的恒星的话），从而它的逃逸速度也越大。因此，它只需作不大的收缩，其逃逸速度就会升高到等于光速，也就是说，当它结束其一生时，它的施瓦西半径比较大。

前面我曾说过，太阳的施瓦西半径将会是3千米。如果有一颗恒星的质量是太阳质量的3倍，那么，当它收缩到刚好具有施瓦西半径时，那个半径就会等于9千米。

一个半径为9千米的球体，其半径是一个半径为3千米的球体的半径的3倍，因而其体积就会是后者的3×3×3=27倍。由此可见，这个较大的黑洞的密度将会是较小黑洞的密度的3/27=1/9。

一般说来，一个黑洞的质量越大，它的密度就越小。

我们整个银河系的质量大约是太阳质量的1500亿倍，如果它收缩成一个黑洞，其施瓦西半径将会是4500亿千米，也就是大约1/20光年。这样一个黑洞，它的平均密度大约只有我们周围空气的密度的1/1000。对于我们来说，这简直是非常好的真空。然而，它的确是一个黑洞，因为没有任何东西能够从它里面逃逸出去。

如果宇宙具有足够的质量，以致它是闭合的；又如果所有这些质量全都被挤压成一个黑洞，那么，那样一个黑洞的施瓦西半径将会是大约3000亿光年!它甚至会比我们整个已知宇宙还要大得多，而它的密度则要比我们今天估计的宇宙的平均密度还要小得多。

在那样一种情况下，我们来设想一下宇宙的收缩过程。我们可以认为，每一个星系都逐渐损失掉它的大部分质量，而变成了一个黑洞，因而整个收缩宇宙是由1000亿多个黑洞组成的。那些分散在各处的黑洞，由于质量不同，它们的直径小的只有1/500光年，大的则有1光年。从任何这样一个黑洞，几乎都没有质量流出来。

接着，在收缩的最后阶段，所有那些黑洞汇合在一起，聚集成单个黑洞。那样一个黑洞拥有宇宙的全部质量，而其施瓦西半径则是3000亿光年。在那个半径的外侧，当然是什么也得不到，但是在那个半径的内侧，却极有可能发生膨胀过程。事实上，恐怕正是这种猛地向外膨胀的事件，点燃了大爆炸。

于是，我们所知道的这个宇宙又再度形成，以猛烈爆炸的方式迅速向外膨胀。结果，又终于形成了星系、恒星和行星。再过一段时间，或迟或早，在这样一个膨胀宇宙中又会开始形成具有恒星质量的黑洞，换句话说，上面所说的整个过程又重新开始。

按着这样的思路进行推理，我们必然会得到宇宙不可能是开放宇宙的结论，也就是说，宇宙不会永远膨胀下去。

膨胀开始发生的那个宇宙蛋必须是一个黑洞，它必须具有施瓦西半径。如果宇宙会无限膨胀下去的话，那么它的有些部分最终便一定会运动到施瓦西半径以外的地方，而那种情况看来是不可能的。因此，我们的宇宙必定是闭合的，而且，在它膨胀达到施瓦西半径以前，必定就会发生运动的逆转。⁽⁴⁾