大爆炸到黑洞

1、“花开”学习课堂讲稿之二十四略述“从大爆炸到黑洞”瞿佑石自从“盘古开天地”，说的是：到处混沌一片，无上下左右、没有东西南北、有个叫“盘古”的巨人用大斧一劈，顿时轻而清、重而浊、便形成了天地。轻清上、重浊下该传说看上去很荒谬，却是一个最早的“宇宙模型”。在大禹治水之前就有了，让今天的科学家惊叹不已：4千年前的人，居然知道“天地诞生于混沌”；还知道天地之间的距离会不断扩展。 到了公元前4世纪，希腊的亚里斯多德对宇宙及诸多方面进行了全面、深刻的论述。他的思想被公元后2世纪的托勒密，做成了一个“宇宙模型”，称为“托勒密世界体系”。从亚里斯多德算起，近20个世纪无人撼动。托勒密“宇宙模型” 到了16世纪

2、，波兰的哥白尼，以天体运动论提出了新的“宇宙模型”，称为“哥白尼世界体系”。哥白尼“宇宙模型” 以上的模型都没有说明原因，即为什么会那样？1687年牛顿以自然哲学的数学原理，全面阐述了时间、空间、万有引力，解释了哥白尼体系的成因。万有引力定律无法回避一个重大问题，也许牛顿没有把握写进自然哲学的数学原理里。只是在给另一个物理学家的信里，写道：“如果只有有限个恒星并分布在有限的空间里，所有的恒星会全部吸引到一个点上；但如果有无限多的恒星，大体均匀地分布在无限的空间中，因为不存在一个中心点，这种情况就不会发生。”牛顿的万有引力所维系的行星（牛顿的意思是：宇宙是无限的，恒星数是无限的，宇宙基本平衡，是

3、“静态”的。）这个思想在后面的二百多年内，非常牢固、无人怀疑！ 恩格斯甚至直接写道：“宇宙是无限的，时间是永恒的。”（他不是物理学家，胡说而已）到了1915年，爱因斯坦完成了广义相对论（原版），但自己觉得很不对头！怎么会呢？宇宙会坍塌？于是便来了个“画蛇添足”！在方程里加入了一个“宇宙常数”，去迎合牛顿的思想，使得宇宙维持平衡的、静态的！（宇宙常数赋予时空以固有的、天然的膨胀性，去平衡牛顿引力的吸引作用，使得宇宙维持静态、平衡态。）插入一个概念： 奥地利物理学家，多普勒（1803-1853）证实：声源离我们而去时，音调逐渐低沉即音频渐低。他还断言，光也是如此，即可见光光源远离时，光频渐低则光色

4、渐红，这叫“红移”现象。反之，光源驶近时，光谱“蓝移”。回头再说： 广义相对论发表10年后，美国有个超级猛男，叫哈勃（篮球、游泳、拳击均为全美顶尖高手），比爱因斯坦小10岁。他用“加州理工”在威尔逊山上的望远镜，对河外星系进行了长时间观察。他和所有人一样，本来以为：无数的恒星和星系，它们的运动应该是杂乱的，就像“布朗运动”那样，那些恒星或星系的光谱应该有红移也有蓝移令人吃惊的是，所有星系及恒星，全部都在红移！（即远离我们而去！）。更为令人惊讶的是：各星系红移的大小也不是随机的，而是红移量与到我们的距离成正比！ 横轴为所观测的星系到我们的距离、纵轴为星系飞离我们的速度。即：星系越远，飞离我们的速

5、度越快！所有星系都在离我们而去。 这表明宇宙不能像人们原来所想象的那样处于静态，而是在膨胀！这一发现，就像牛顿的万有引力的发现一样，是人类最伟大的科学发现之一。其实，牛顿和爱因斯坦都曾经把手指按到了这层窗户纸，但都没有捅破。越远的星系跑得越快如果把时间反推回去，那么各星系的距离则小些再往回推（推到100-200亿年前），宇宙中的各星系之间的距离会为零。那便是宇宙的起点，即大爆炸点。（那点的质量、密度、时空曲率都是无穷大；那点的半径是零、时间是零）宇宙大爆炸这个“大爆炸模型”是三维的，利用“光锥”的思路，加入“时间维”便是：大爆炸后 “大爆炸”一词，是比利时神父勒梅特在麻省理工学习后，于1932

6、年提出的。勒梅特 提出“原始原子”爆炸起源保守的物理学家们并不相信这个模型，他们中的代表如英国的霍伊尔，提出了一个尖锐的问题：“既然是爆炸出来的，那爆炸总得留下点什么信息下来吧？谁能找到那个证据？”普林斯顿大学的迪克和皮伯尔斯俩教授觉得：早期宇宙是那样地炽热、且密度极高，会发出高能射线和白热光芒。这种光芒我们现在仍然能看到，因为早期宇宙太遥远了，那种光芒现在应当刚好到达地球。不过，由于宇宙膨胀，这种射线应该有非常大的红移。射线的频率从伽玛射线会红移到微波及无线电波的范围。他俩相信能够探测到这种电磁波，于是领导了一个科学小组开始探测。工作一开始，便遇到了“当头一棒”：贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊

7、已经“意外”地探测到了！（这是1965年的事，彭、威二人于1978年获得诺贝尔奖。迪克的学生古斯后来提出“后宇宙暴涨理论”，是现在最领先的。这是后话） 彭、威二人接收到的微波，不论白天黑夜、一年四季都一样，后来在南极上空的气球探测和卫星环绕地球探测，也都一样！这叫“微波背景辐射”，来自137亿年前的大爆炸。这是COBE卫星绘制的全天空“微波背景辐射”图，颜色表示不同的温度，但从蓝到红的范围只有1度的万分之一。这就回答了霍伊尔的质疑！其实，大爆炸理论并不仅仅是靠这点东西来支撑，它还有着强大的理论依据：那就是“广义相对论”的弗里德曼解。爱因斯坦弗里德曼广义相对论方程描述了宇宙随时间的演化，如果对方

8、程逐一求解，复杂得几乎不可能。苏联的应用数学家弗里德曼，丢掉了方程的“尾巴”，并提出了2个假设，便得到了方程的一个解：即“弗里德曼模型”-也就是“大爆炸模型”。他的2个假设是：A、无论向任何方向观察宇宙都一样。B、在任何点观察时A都成立。这第一个假设就叫人无法接受：我们从一个方向看，是银河，向另一个方向看，是地球！怎么会一样呢？回答是：这个尺度太小了。银河系的直径大概10万光年，这也太小，若以1亿光年为尺度，宇宙就是均匀的，且“各向同性”的。哈勃的观察实际上证实了A；“微波背景辐射”实际上证实了B。说明弗里德曼的2个假设没有问题，那么广义相对论的“弗里德曼解”也没有问题，则“大爆炸理论”是成立

9、的。归纳一下，所有模型的毛病是：1,盘古模型，没有说明是什么时间，也不知道盘古是谁。2,托勒密模型，说地球是宇宙中心，也无法解释四季的缘由，各行星运动太复杂。3,哥白尼模型，说太阳是宇宙中心，不能解释为何遥远的恒星怎么老是不动。4,牛顿模型，不能说明为何所有的星系，不会吸引到一起。5，大爆炸模型，不能解释为何在“均匀”的宇宙里，会出现各式各样的星系、星系团。 宇宙的奥秘，超过了所有人的想象，人类永远也无法回答所有的问题。若有人宣称他们掌握了“宇宙真理”，这对于我们学习天文学的人来说，真是倍感恶心。大爆炸后好了，宇宙就那么“炸”出来了。你信吗？反正我是信了。大爆炸从时间t=0开始，温度为无穷大、

10、能量为无穷大（纯能量）、以远远大于光速的速度膨胀开来、在1个“普朗克时间”里（10的-43次方秒，这是时间的最基本单位），宇宙就从1个原子大小膨胀到1个网球那么大，再一个普朗克时间，宇宙就从网球变成地球那么大了！此时的宇宙还是纯能量的，随着尺寸的暴涨，温度逐步下降，纯能量的宇宙开始由能量转化成物质。相继产生了夸克、反夸克、中微子、介子、过了无数个普朗克时间，终于来到了1秒！温度从10的32次方下降到了10的10次方（100亿度），开始形成质子、中子、电子、到第100秒形成了氢的原子核。1-100秒，形成氢核1-100秒，温度从100亿度下降到10亿度。大爆炸后的几个钟头到100万年里，没什么可

11、说的，仅仅是继续膨胀。直到温度下降到几千度，电子和核不再有足够的能量到处乱窜，便开始在正负电荷的吸引（弱核力）下，形成原子。因为氢原子最简单，所以产生了大量的氢和少量的氦。因为牛顿引力的作用，这些氢氦便吸引成一块块的，这就是星云！星云（这星云可能就是盘古先生用斧子劈的“混沌”，天地也确实是从这里头产生的。）星云里的氢和少量的氦，在牛顿引力的作用下，不断吸引、聚集，便形成了第一代恒星。这第一代恒星里的氢氦燃烧完后，便会产生“超新星”爆炸，在巨大的爆炸压力和超高温下，产生重元素。我们身上的氧、碳、钙、铁及现代原子弹的材料，都是那时产生的。我们把1个原子想象成一个电影院那么大，原子的质量几乎全在原子

12、核上，而原子核只相当于电影院中央的1个苍蝇大小！无数个电影院外墙紧贴在一起，就组成了物体。相邻2个苍蝇间的万有引力，就是被电影院外墙给撑住了，这叫“泡利不相容”。奥地利物理学家泡利印度物理学家钱德拉塞卡1925年泡利提出“2个粒子不能以相同的速度占据相同的位置”，即2个粒子是排斥的。就像电影院外墙不让2个苍蝇相靠近！1928年18岁的钱德拉塞卡在印度-英国的船上，觉得：假如恒星的质量足够大，万有引力所产生的压力也足够大，就会压碎电影院外墙，让2个苍蝇贴在一起！即：外压力超过“泡利不相容”的排斥力，打破了俩原子的电子层，让2核贴在一起，电子全部沦为自由电子。钱德拉塞卡就是根据泡利的2个粒子之间的

13、“不相容”速率差异不得超过光速，反推回来，算出质量为1.5倍太阳的恒星，就能压破“泡利不相容原则”！（我们做作业时，算的是1.4）这就是著名的“钱德拉塞卡极限”！（他18岁是去英国读研究生的，导师是爱丁顿。爱教授当时是世界宇宙学的最大权威。遗憾的是老爱根本不理小钱的那一套，并且安排小钱别的课题、直到1983年，钱德拉塞卡快不行了，才拿到若贝尔奖。因为若贝尔奖不能授给死去的人。）上次潘露先生关于太阳系的起源及演化的讲座，已经讲了太阳的形成和归宿。这里就跳过。当太阳的氢、氦全部耗尽时，就走完了作为“主序星”的生命历程。按钱德拉塞卡的思想，以目前的精确计算：当某恒星的质量小于等于1.4倍太阳质量时，

14、恒星在耗光氢氦后，会将少量的外层物质抛射到太空，而自身则在万有引力作用下向核心坍塌。此时原子间的“泡利不相容原则”所能提供的支撑，已经不能抵抗万有引力的压迫！原子被压破，核与核被压到了一起，全部电子被挤出成为自由电子，形成了“简并电子气”。如同太阳的氢聚变爆发力与自身引力相平衡，这里的简并电子气压力也与自身引力相平衡。此时的情况是，原子核与原子核靠在一起，所以密度很大，1厘米立方就有200吨重！虽然没有了氢的燃烧，但温度还很高（5千-5万度），会发出暗淡的白光，并在很长时间里慢慢冷却。又由于密度大所以尺寸很小，即：矮星，白矮星。（50亿年后的太阳，氢氦烧完后，就会成为一个与地球一般大小的白矮星

15、。）太空中的恒星实在太多了，其质量比太阳大几倍、几百万倍的都有、白矮星的结构是：原子核与原子核挤在一起。若某恒星的质量大于1.4倍太阳时，其引力又把原子核压破了！类似钱德拉塞卡的想法，1939年奥本海默就提出了进一步的思路与计算、奥本海默与爱因斯坦正当奥本海默的研究有点眉目的时候，却被罗斯福叫去做原子弹去了。后来一些科学家在他的研究基础上，取得了突破，算出了“奥本海默-佛柯父极限”，即：3.2倍太阳质量！也就是说：当某恒星的质量大于1.4倍太阳且小于3.2倍太阳时，自身引力会压破原子核，电子几乎全被压进质子中去了，使得带正电的质子变成中子，加上原来的中子，全部都是中子了！（质子+电子=中子+中

16、微子） 中子星 若某恒星的质量刚过1.4倍太阳，成为中子星后，半径只有15公里。哈哈，太阳体积能装下130万个地球、然而地球能装下2.5亿颗中子星。其密度：1厘米立方就有10亿吨重。现在问题又来了：当某恒星的质量大于3.2倍太阳呢？它的氢氦烧完后，会怎样？回顾一下：1、一般物体由原子组成，原子与原子之间靠“泡利不相容”原则维系相对位置，故密度很小；2、白矮星是由于“压力”突破泡利原则，原子核与原子核靠在一起，故密度很大；3、中子星是因压力更大，核被压破，全部由中子挤在一起而组成，故密度更大、4、如果恒星的质量大于太阳质量很多，甚至是十几、几十倍，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积

17、极小、密度极大的天体。而当它的半径一旦收缩到一定程度(小于史瓦西半径）时，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系，那就是“黑洞”！（太阳现在的半径是七十万公里，假如它变成一个黑洞, 半径会缩到只有三公里；地球假如变成黑洞，半径就要缩到几毫米。）“黑洞”这个说法，最早是剑桥的教授米歇尔于1783年提出的。他觉得：要是恒星的质量足够大，以至于从它表面发射的光被它强大的引力场拉回去，使得它不被看见。（黑洞）到了1968年美国物理学家惠勒，在论文里写道：当恒星演化到核能耗尽时，若它的质量超过3.2倍太阳，其内部中子结构的抗拒力将抵不住引力的坍缩，从而中子星在自身引力的挤压

18、下将被碾得粉碎，最终形成一个密度高得难以想像的-黑洞！黑洞在广义相对论刚刚发表的1916年，德国物理学家史瓦西就对“完全球对称”的情形，解出了引力场方程：Rg=2Gm/(c平方)=2.96m/m(日) Rg史瓦西半径（单位km）这个“史瓦西半径”，是黑洞的“视界半径”而不是黑洞本身的真正半径。黑洞的真正半径是无法测量的，因为任何信号都无法从那里出来。“视界”是光子能勉强逃逸出来的一个范围。黑洞作为一个天体肯定有它的半径，必定小于史瓦西半径，究竟小多少，永远也无法知道。黑洞的史瓦西半径2003年，钱德拉塞卡X射线天文台的一张“信号数据效果”图史瓦西解的假设是：1、黑洞为完全对称的球；2、黑洞不旋

19、转。（不假设难以求解）而实际情况是：黑洞如“黑色的果冻”（软塌塌的），在旋转下变得象个南瓜。任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构多么复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。黑洞旋转后变形黑洞的质量一般都很大，故引力场很强，能将周边的物质吸入其中。如果地球靠近的话，会在接近黑洞的过程中，被黑洞的引力场撕碎成沫沫，以“雾状”被吸入“视线视界”。这个“撕裂、雾化”的过程，会发出强光。所以在黑洞的外围，是很亮的。根据广义相对论，在黑洞中必然存在密度和时空曲率无穷大的奇点，这与时间开端时的大爆炸相类似，只不过这里是1个坍缩物体的时间终点而已。（与大爆炸时间箭头方向相反）

20、可见星被吸入黑洞大体上黑洞的形成及演化有“太初核球坍缩”及“星系碰撞合并”2种情况：英国宇宙学家霍金，在读博士时就介入了黑洞的研究，并且取得了一些成果。后来他得了一种怪病，身体的肌肉和骨骼开始慢慢萎缩。（他1942年出生，比牛顿小300岁整，并继任卢卡斯讲座教授）他60多岁时，“两头”还很好。脑子非常清晰而伟大；还与妻子离婚娶了年轻的女护士霍金认为黑洞会缓慢地释放能量，并于1974年证明了黑洞的温度大于零（绝对温度），比宇宙深空的温度高一些。一切比其周围较暖的物体都要释放出热，黑洞也不例外。一个典型的黑洞将在10的18次方年内，释放出它的全部能量。这就是“霍金辐射”。（后来被观测所证实）霍金辐

21、射现象的预言，是首次将广义相对论与量子力学的完美结合，是两大科学支柱联合作用的效果，从此把量子力学引入到了宇宙学。简单地说，假如下图的“桶状”面（光锥的一部分）为某黑洞的“视线视界”，视界附近“空”的空间充满虚粒子及它的反粒子。它们被一同创生，相互离开，然后再回到一起并且湮灭、老的观念认为，这些虚粒子、反虚粒子、光子、中微子等，全部被黑洞吃掉，无一逃逸、而量子力学的支柱“海森伯测不准原理”说的是：这些粒子的位置与速度都是不确定的！（速度是矢量），如果所有的各种粒子统统飞向黑洞中心，那不就违背了“海森伯原理”吗？所以图中必定有某些粒子对，回不到一起相互湮灭了，它俩各奔东西，就有逃逸到无穷远的粒子（能量）了。 （这是文字解释，霍金的证明是应用数学的推导）黑洞不能直接观测，但可以通过观测黑洞对它周围物质的作用所产生的想象