12.茫茫宇宙，科学家的游乐场
在本部分，我们要讲几个非常有趣的话题，关于黑洞，关于反物质，关于相对论等等。
比如说，即使不是通过克隆或工业复制，我们也可以看到一个与自己长得一模一样的人站在面前，这时我们怎么想？又比如说，当我们穿过黑洞回到过去，看见妈妈正在生产自己--自己又一次看到了自己，这可能吗？
据说，在未来社会，我们可以有四种方式得到自己--克隆、复制、反物质与黑洞。"两个我！甚至多个我！"这滋味好受吗？
而在本书其他部分中提到，我们被机器化；或在进行特殊的包装与整容等方式当中，反倒失去了自己！
一系列既荒唐又有趣的故事背后，却是一些沉重的思考：科学与科学家，不是也有客观的、非人为的缺陷，甚至主观的、人为的欺骗、无聊成分么？科学家，正在拿科学当游戏，糊弄世人。当然，还有科研水平不够的情况。
黑洞：看不见的"深渊""
站在新世纪的大门口，回顾我们所经历的这100年，科学技术的日新月异让人应接不暇。各类学科越分越细，并且产生了诸多的交叉与边沿学科，交织成密集的网，几乎笼罩住了人类活动的所有领域。新的理论、新的现象、新的数据、新的产品、新的构想风起云涌，极大地影响了人们的生活和思维。人们越来越深切地感受到，科学技术对自身和世界所发生的作用与日俱增。
在20世纪，物理学是科学的桂冠。相对论和量子力学作为物理学的两大支柱，不仅解决了上世纪遗留下来的种种疑难问题，而且开创了新的科学前景，作了众多令人难以想象却又不断被证实的预言。而黑洞和反物质则是其中的两个亮点。由于近期太空望远镜和加速器取得了新的巨大成果，对黑洞和反物质的研究取得了新的突破，并有可能使人们对基础理论和整个宇宙的认识再一次发生飞跃。而围绕相对论又出现了新的说法。对这三个话题，我们的探讨将进入茫茫宇宙，那里曾经只有科学家们的思想才可以遨游。
从"哈勃"说起
一架天文望远镜于l987年由航天飞机发射入500公里的高空轨道，成了永久性的人类"太空眼"。当美国"发现号"航天飞机把这只"眼睛"擦得越来越亮后，"哈勃"也给人类送来了越来越多的宇宙信息。借助近红外照相机和多目标分光仪，1997年5月上旬，整修后的"哈勃"传回四幅有关天体的照片，其中就有关于黑洞的。"哈勃"的太空望远镜图像摄谱仪对距离地球5000万光年的M84星系中央进行了观测，发现该星系中心半径26光年范围内的气体物质突然获得每小时140．8万公里的高速度，这表明那儿存在一个引力巨大的黑洞。"哈勃"专家们说，天文学家经过长久观测和演算才能推测黑洞的存在，而"哈勃"只用20分钟就证明M84星系中心确实有黑洞。实际上在此前后。"哈勃"已经发现了大批的黑洞，如天鹅座X一1，天鹅座V404和天蝎座l994新星，只不过都没有M84的大--它的质量至少是太阳的3亿倍！
当然，"哈勃"也不能占尽所有的风头。在1997年8月21日日本京都第23届国际天文学联合总会上，德国麦克斯普兰克研究所的根茨尔小组和美国加利福尼亚大学的研究小组同时报告说，他们利用安装在地球上不同地点的天文望远镜已找到足够的证据证明：在银河系中心的确存在黑洞。近6年来，雷因哈尔德·根茨尔博士领导他的同事们利用智利的3．5米口径望远镜，对位于天马星座银河系中心附近的星体活动进行了详细的观测。最近他们发现，在从银河系中心到光行进一周时间的距离内的星体正以每秒2000公里的速度绕银河中心旋转。根据这一速度，星体旋转轨道内侧的质量约为太阳的250万倍。将如此巨大的质量集中于如此狭小的范围内，除了黑洞没有其他可能。加利福尼亚大学研究小组晚四年才开始用10米口径的望远镜观察并掌握了银河系中心附近近百个星体的运动速度，据此得出的结果与根茨尔小组的基本相同。也许在浩瀚的宇宙中，银河系中心算是离我们比较近的了。仿佛黑洞就在身边。
现在科学家们不但找到了黑洞存在的若干证据，而且观察到了黑洞的边界，获得了黑洞存在的直接证据，甚至发现每个黑洞大小与它所在的星系大小成正比。除星系中心黑洞之外，另一类恒星黑洞也已有规律可循。耶鲁大学查尔斯·贝林在1997年6月上旬说："对这些（恒星）黑洞来说，7个太阳的质量是某种幻数。一颗恒星在超新星爆炸中塌缩，看来有利于在黑洞中保留7个太阳质量的物质，并把这颗恒星的其余部分分散到太空中去。"在他的研究中，例外的一个却大约有14个太阳质量那么大。他也相信存在某种自然法则而导致这一出人意料的结果。这些成果对了解宇宙黑洞与星系的关系、探求宇宙的演变规律都极为重要。
随着黑洞的面纱被一层层地撩开，黑洞不仅为诸多天文学家，也为广大的天文爱好者所关注。那么究竟什么是黑洞呢？
什么是黑洞？
黑洞这个名称使我们联想到一个充满神秘诡异的天体。这种天体从何而来，有什么特征呢？让我们回到18世纪末，那时牛顿的光微粒说和引力理论还占据着统治地位。
英国牧师约翰·米切尔在一篇1783年英国皇家学会会议上宣读过并随后发表于《哲学学报》的论文中写道："如果一个星球的密度与太阳相同而半径为太阳的500倍，那么一个从很高处朝该星球下落的物体到达星球表面时的速度将超过光速。所以，假定光也像其他物体一样被与惯性成正比的力所吸引，所有从这个星球发射出的光将被星球自身的引力拉回来。"此后不久，法国天文学家皮尔·西蒙·拉普拉斯于1796年在他的《宇宙体系论》中作了类似的却更精彩的论述。他说："正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。"（后者被称为"黑洞之父"）。
后来爱因斯坦对牛顿的两个理论都有修正，却并不影响他的广义相对论对不可见天体存在的预言，这是通过德国物理学家卡尔·史瓦西求得的爱因斯坦方程的某一精确实现的。实际，真正确立预言是在1939年。那是美国物理学家奥本海默和施奈德用广义相对论解方程研究一种球对称和没有内压强的简化"模型星"的坍缩的时候，他们发现，在一定情况下其引力是如此之强，以至于没有任何力量能够阻挡星体的坍缩，直至成为一个体积为零、密度无限大的"点"，或者说是物质连同时空一道坍缩成连光也不能从中逃逸的区域。而惠勒在1967年12月29日的讲堂上将"引力完全坍缩物质"一语重复十余次之后，觉得应该有一个更好的名词：那就是"黑洞"......
简单地说，黑洞就是一个其中的引力场强到使任何物质和辐射包括光都不能逃逸出来的时空区域。换一种说法，我们可能会更深刻地体味到黑洞的奇妙诱人：宇宙中有这样的星体，不可能被看到，却能吸进所有近旁的物质。那是个封闭的世界，与我们的世界完全隔绝；那是个无底深渊，所有物质都会被无情地吸入和粉碎；那是架时间机器，是连接别的宇宙的通道......（《黑洞》序言），它总是能引起人们无穷无尽的幻想。
按照上面的描述，黑洞几乎不能保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质或成分没有任何记忆，拥有的只是质量、角动量（自旋）和电荷三个最基本的特征。这被形象地称作"黑洞无毛"。但霍金在1973年提出，量子效应会令黑洞辐射粒子当即蒸发，最后将不会留下任何初始的质量。黑洞既是一个时空概念，更是天体演化的结果。
黑洞的诞生
我们生活的地球、头顶上的太阳、月球以及数不清的星球都保持着比较稳定的球形。为什么能这样呢？那是因为它们的重力和压力能保持平衡。像地球之所以没有被自身的重量所压垮，乃是因构成地球的物质间有电磁力与之抗衡。而太阳内部核反应所产生的巨大外向压力支撑着被引力拉向中心的球体。一旦压力消失或重力因故大幅增加，便无法继续保持力的平衡，于是发生重力崩溃而不断收缩，最后坍缩成一点，即变成黑洞。也许我们来设想一个具体的密近双星系黑洞诞生的过程，会更真切地感受到黑洞这一人类智慧模型的意义。在茫茫宇宙中，许多像太阳一样发出明亮光辉的恒星，借重彼此的重力互相吸引，绕着共同的重心旋转，称为"双星系"，其中有一个主星的质量约为太阳的30倍，伴星质量约为太阳的8倍。由于恒星的演化形态由其质量决定，主星较明亮，燃料消耗得较快，寿命也较短，它在生存了大约l000万年以后先演化成红巨星，其大气也会逐渐膨胀而流入伴星的引力圈。再过200万年，主星终于发生超新星爆炸。外层部分的气体高速扩散到星际空间。伴星也受到爆炸的影响，整个双星系有崩溃的可能。由于爆炸，主星内部往中心压缩，无限地持续重力崩溃，最终形成高明度天体黑洞。经过5000万年以上，伴星也演化到了红巨星阶段，大气膨胀到达引力圈而流入黑洞，并在黑洞周围形成沉积圆盘。由于从伴星流入的气体具有旋转能量，所以不会立刻掉进黑洞中。这些气体在沉积圆盘中反复摩擦，逐渐消耗掉旋转能量，缓缓地掉进内侧。摩擦热把气体加温，使其放射出X射线及伽马射线......这些射线是我们发现和观察黑洞的主要根据。
模型的思考
黑洞的诞生，我们已经说过，其实是一个过程的结果。让我们来探讨这一星体演化的过程：诞生、燃烧、膨胀、爆炸、坍缩。其中的关键动因是燃料消耗。我们再来看一条几乎与黑洞这个话题风马牛不相及的消息：来自美国、荷兰和阿根廷的l3位科学家联合对地球每年向我们提供的文化、娱乐、食物、原材料生产、吸收和再循环人类制造的废物、防止水土流失、调节气候等l7项"生态系统服务"的价值作出了几乎是目前世界各国每年国内生产总值总和两倍的评估---20万亿英镑！而且这仅是一个初步的和大略的概算。人类无时无刻不在消耗着地球的资源，而人类自身却膨胀起来了，无论是从人口数量上还是从人类对大自然的侵占程度来说都是这样。在双星系黑洞的形成中，主星膨胀气体向星际空间的扩散和向伴星引力圈的外流都未能阻止主星的爆炸和坍缩。那么将黑洞的模型套在人类身上是否合适呢？我认为至少不会太过分，因为黑洞作为人类智慧的结晶本来就是一种对人类自身的思考。
或许我们大家都知道，太阳带着整个太阳系在围绕着银河系中心高速旋转。而在前面我们说过，科学家们论证银河系中心存在巨大的黑洞；也就是说，我们的地球母亲在围绕光明的太阳的同时还围绕看不见的吞噬深渊--无情的黑洞无可奈何地奔忙。当然这并不是一个遗憾，但是，人类整体--五十多亿人及其活动能够完全理智而又自觉地走向未来吗？正像太阳不能阻止人类对地球进行改造一样，人类这个总体概念无法避免某一个体做下错误的事情，只要看看今天的各种高新武器或环境破坏后果就可以明白了。
黑洞形成的致命环节在于力的失衡，也可以说是引力的独裁，此后崩溃发生得极为迅速。这对我们来说是否也是一个启示呢？千百年来，人类所遭受的天灾、疾病尤其是战争，无一不是失衡和独裁的恶果。
为了进一步理解黑洞，我们还需要对其具体模型进行探讨。因为黑洞无论从理论上还是从实际上来说都是看不见的，即使把它画成可见图形也是比较复杂的数学模型。我们只能用非常粗略的比喻来描绘：黑洞就像一块凹陷的橡皮膜，或者是被针尖向生顶起的本来平整而又厚实的弹性塑料片（当然它没有被针尖刺穿，并且还要倒过来才更容易理解），或者干脆说是一朵喇叭花。原来的平面是视界，而针尖所顶的地方就是奇点。在引力的作用下，巨大的能量或质量聚集在一个小得不可想象的区域内，这个绝小的区域就是奇点，所有的捕获物都掉落在这儿。视界是奇点周围一个假想的表面，或者说正好是无法逃逸到无穷远的光所形成的零表面。这是真正的死亡线。打个比方说，一只蜜蜂只要一越过喇叭花的边缘所构成的表面，就会被吸引到花蒂的部位，并且除了质量之外一无所有。光被困在视界以内，或者说某一天体从原来慷慨地向外发散出光到现在吝啬贪婪地攫取一切可及的光。
那么奇点究竟是一个怎样的模型呢？我认为是物质、能量、信息的高度浓缩，而人类正在向这个方向发展，奇点使物理定律完全失效，也吞没了时空。在数学上它代表着不可定义、没有意义，连死亡、毁灭也没法完全表达这样的意思。人类在捕捉一切可捕捉的东西。作为其中的一员，我们都无可厚非，因为这或许是人作为人的本能或使命之一。那么，这种类比绝对荒谬？未必尽然。我国学者已经发现了生物波（细菌的活动），而熵的概念早已渗透到社会学中了，更何况星辰学还在顽强地前进呢。
先让这些危言耸听的论述告一段落吧，我们回到黑洞理论本身。
理论的黑洞
可以说，黑洞理论是20世纪科学家们共同努力的研究成果。甚至直到今天，尽管太空望远镜已经传回了黑洞的照片（实际上在黑洞的位置上什么也没有，除了黑暗），它在实质上仍然只是理论加数据。开个玩笑说，这可能是物质的一种存在方式。但是这并不影响我们对黑洞的兴趣，因为本世纪以来越来越多的理论加数据变成了实体。
也许有点让人难以置信，作为被认为是现代黑洞观的基础--引力方程式的给出者，爱因斯坦居然在1939年发表过一篇题为《论一个由许多受引力作用的物体构成的球面对称的稳定系统》的论文。他想运用自己在1916年发表的广义相对论和引力理论--正是这项理论，人们常用来论证黑洞不仅是可能的，而且对于许多天体来说也是必然的--来证明黑洞是不可能有的。而更具滑稽意味的是，对黑洞和正在坍缩的恒星的发现都广泛地基于爱因斯坦量子统计学理论完全不同方面。也许这一理论确实具有极好的多样性和包容性。
