斯蒂芬.霍金的世界
我们越深入探索宇宙
我们的发现就越令人惊叹
我多数的究都与神秘的黑洞有关
很多人认为黑洞只是捏造的理论
并不存在真实的世界
但观测家开始在天空中 发现同样异常的东西
引导人类究黑洞的旅程
《黑洞以外》
因1950年代 电波天文学的新科技启程
来自外太空的讯号 也许有多种解释
当中有些较为显著
我的名字是瑟斯赛斯达克
我是加州SETI究所的天文学家
SETI是'寻找地球外智慧，的缩写
尾端的I表示我们要找的 并非地球外的生命
而是有智慧的生命
也可以说 这代表他们能进行对话
二次世界大战后 辐射天文学开始萌芽
50年代末人类开始制造 大型的电波天文望远镜
就如同此刻我们头上的一样
这项科技是否 真的能被用来传递讯息
就好比各星球之间一般
1959，1960年时最初的试验 就是使用这项科技
以大型的电波天文望远镜
试着偷听任何存在的其他文明
但在找寻外星人的同时
他们也必须考虑其他的可能性
出现的这些清晰的无线电讯号 显示这方向有很强的无线电波
你会告诉你的光学天文学家友
而他们会用 类似帕洛玛诺200寸的望远镜
对着那个方向观测
天文学家利用光学望远镜仔细地遥望 发射出无线电讯号的地区
他们看见的无疑是 奇特而戏剧性的景气
但没有什么是他们无法解释的
人们看见过不寻常的物体
例如有着奇特团状物的星系
有时会发射出无线电波
而一般的星系则不会如此
或例如充满各种条纹 看似要爆炸的云气
这些便是似乎发射着 无线电波的物体
相较于平常寂静的云气则不会如此
但宇宙中有着无限惊奇
当光学天文学家将他们的望远镜 指向某个强烈的无线电波
他们预见了宇宙的大灾难
所见的景气震摄了他们
60年代早期
天文光学家拍摄天空 似乎发射出讯号的位置
他们并未发现任何的不寻常
天空中只有他们 一知半解的平凡星球
没有明显要爆炸的星星
没有动荡的云气
一切都平凡无奇
都是正常的星星
而这使天文学家困惑
而一个名称单调乏味的星体
3C273
是众多默默存在于 宇宙中的星球之一
位于室女座的3C273 看起来就像是颗星星
但我们知道正常星星 不会发出无线电波
所以这是极不寻常的
天文学家决定分析 3C273所发射的光
使用的科技技术称为分光镜
将星星发出的光分成彩色光谱
他们发现这颗星有了些不同点
光谱中的黑线没有光源
原因是恒星周围的大气 在特殊的频率上吸收光线
如果这些线从正常的位置位移 表示星星在移动
如果这些线朝向光谱的红色端移动 表示它正远离
在此34年前
美国天文学家爱德华哈伯 用光谱学发现宇宙正扩大中
远处的银河不断地远离我们
3C273的光谱即将告诉我们更多
3C273的光谱并不符合 任何星球上的正常气体形式
这使天文学家十分困惑
此物体非但不停发射无线电波
它奇特的光谱更是前所未见的
3C273看起来像是 天上任何一颗星
它的光谱却与此认知相互矛盾
天文学家不知所以然
但一个年轻究生却深信 光谱学不会说谎
马丁史密特发现其中两个谱线 与氢有相同的颜色间距
但两条线都远比正常的氢气 靠近光谱的红色端
他相信此一识别的真确性
并结论当中的移动整整有16%
但16%的偏移表示这物体 正十分快速地远离我们
并与我们相距20亿光年
所以它不可能是个一般的星球
或甚至是我们银河中 一个奇特俱磁性的星
它绝对只是个 看起来像星星的奇异物体
只因它是如此遥远 却又极度明亮
这的确震惊了人类
而我想有些人无法相信
如此明亮的东西 可以离我们那么远
天文学家决定称这些物体为类星体 即类似恒星的无线电波源
它们无疑的是无线电源
它们是以电波望远镜发现的
它们看起来像星星
因此由星的角度来探讨
类似恒星的无线电源 便被命名为类星体
马丁史基米的结论是在本质上
它必定是个极端大功率的来源
在本质上是极度明亮的物体
因为它在天空显得那样明亮
但又似乎非常遥远
它每秒必须放射极大的能量
比太阳更多的能量
事实上是银河系的百到千倍
而这真是个大发现
神秘的类星体被发现时
我才刚开始究所的究
我的作业是带领我 走向更神秘的东西
黑洞
我正专爱因斯坦的相对论
这对某些物理学家而言
是探索类星体解答的好方向
天文学家及天体物理学家探究 这些奇特的物体
它们何以产生如此大的能量
却有如此小的形体
于是他们转向相对论者
问他们
你们是否有任何模型或物体
看起来与此相似
也能有此特性呢
相对论者表示
有一理论是重力的崩溃
这也许是你在寻找的答案
爱因斯坦的相对论中描述
重力是宇宙的主要支配力量
但无法预测的是 在特殊情况下的状态
重力是否能将极大的量
例如当恒星死亡时
压缩成极小的空间
1939年出现了两份文件
一份出自爱因斯坦
另一份来自美国物理学家
劳伯欧本海默及他的同事新德
他们讨论当大量的物质被集中于 小区域可能发生的情况
爱因斯坦的论文 并未预见任何问题
但欧本海默及新德 震惊了他们自己
他们的计算似乎指向 不可能存在的事实
利用相对论的原理
他们预测一个大质量的物体
会经历剧烈的重力崩溃
而到达一临界的半径
似乎将自身从整个宇宙隔离
然而如果一个物体将自己 与整个宇宙隔离
它的表现是否仍可以 依物理学来解释
难道爱因斯坦的学说 不自觉的预知了它的崩溃
爱因斯坦相信这个 临界性的半径是无法到达的
它是自然界中不可能的事
但他与欧本海默的争论 从未得到平息
二次世界大战期间
欧本海默这样的物理学家 必须投入发原子弹的工作
许多人认为 欧普汉莫的想法太极端
并且不值得为之奋斗
但物理学家约翰委勒 却深信不疑
捍卫理念
我想这是解释科学的好方法
捍卫理念
我是丹尼尔赫兹
是芝加哥大学的究生
我要去拜访大学时在 普林斯顿的教授约翰惠勒
仍在普林斯顿大学授课的 约翰惠勒
曾与欧本海默一同发原子弹
现年85岁
他是20世纪科学上的重要人物
他喜欢各种疑难杂症
他的态度是在物理学中
找出最大最困惑的问题
然后全心投入究
找出其中的道理
1963年
类星体是当时最令人困惑的
人们只期望欧本海默的学说 也许能提供解释
于是惠勒投身这些 有关重力崩溃的极端学说
但支持它们表示 挑战爱因斯坦的理论
惠勒在40年代来到普林斯顿时
爱因斯坦是学术界的领导者 并且世界闻名
但科学已不断在向前迈进
他很热心的邀请我 与学生们到他家喝茶
其中一个学生
乔凯欧维问爱因斯坦教授
你过世之后
这间房子会变什么样子
爱因斯坦的表情十分丰富
深深的皱纹
美好的微笑或大笑
以及他动人的声音
带着德国腔的标准英语说
这个房子永远不会变成朝圣者 来参拜圣人遗骸的地方
事情就是这样
爱因斯坦并未激发 有天份的约翰惠勒
惠勒着迷的
是类星体能被欧本海默的 重力完全崩塌的物体
他创造了有力的代名词 来形容它们
我在用了几次 重力完全崩塌的物体
我发觉它太长了
所以我将它改成黑洞
这名字清楚地解释 根据该理论会产生的状况
黑洞最明显的特征就是 它是黑的
没有光线能逃出此区域
如果有一个变得密集的物体
例如一颗崩溃的星星
会变得越来越压缩
而同时邻近的物体 便会越来越难脱离
也就是说重力 变得越来越强
如果你继续这样推断
物体变得越来越密集
终究会达到某个 连光都无法脱离的阶段
如果我们离这个星球很远
光就无法从星球表面 传到我们这里
当这样的情况发生时
就成了黑洞
俄罗斯的朋友对它有不同称呼
在法文听来又有点猥亵
但最后他们还是都接受了
许多人认为整个黑洞的概念 相当可笑
认为它们不可能存在
爱因斯坦在某个活动中表示
不认为黑洞是真实存在的物体
他的想法是自然界中会有 阻碍黑洞形成的东西
当所有的质量被聚集在某一地方
某种神秘的力量会出现
以阻止因为聚集大量质量 而崩溃成一黑洞的情况
我相信黑洞的存在
但许多物理学家认为 这与相对论已相去甚远
惠勒则不然
他对类星体感到惊奇
如果如此怪异的物体 能存在宇宙中
那宇宙同样能容许黑洞的存在
总是身处最前线的惠勒
视黑洞为解释 各种天体物理观测的关键
也有助于我们了解这世界
于是他锁定每一个人
怂恿大家探索这个新世界
这个科学的远景
我们该如何究这些黑洞呢
它们的意义何在
这将会如何影响 我们看宇宙的角度呢
许多人开始相信宇宙中 也许有为数众多的黑洞
但这要看大质量恒星生命结束时 所引发的巨星爆炸而定
在加州沙漠深处 有一萞备森严的卡料库
即使今日
所有人都需经过 武装守卫的搜身才能通行
这就是劳伦斯利坞摩实验室
许多机密的科技如今都搁置一旁
或包装存放在储藏室中
我于1956年来到这里
这是负责为美国发 核武的国家实验室之一
为了能操作发核武 所需的高能量的计算
国防部制造了 强而有力的新工具
电脑
利坞摩与洛艾尔摩的实验室
有电脑的独享权
电脑也是为他们所设计的
所以有20年的时间
电脑的发展全凭 这些实验室的存在
这使我们得以计算 从前从未想过的东西
年轻的官方科学家迪克怀特
使用电脑来测试原子弹的威力
但1960年早期多数的原子弹 相关作业已完成
迪克怀特与同事靠电脑 来解决另一项难题
黑洞
许多理论家不赞同约翰惠勒
黑洞源自于崩溃星球的定论
他们单纯地相信 不可能有那样大的影响
他们提出的学说强调
星球的铁的中心会崩溃
这样的崩溃会造成 使星球爆炸的热核反应
我们开始相信这样的说法
它当然会崩溃
我们没有怀疑过这个现象
但它并非照着他们的方式
它只是不断的崩溃
随着压力增强它并不停止
电脑预测一个垂死的大型恒星 会不断崩溃形成黑洞
看来约翰惠勒支持 欧本海默的理论是正确的
电脑的计算带给我们 从未预期的结果
对我来说那是段非凡的时光
这个结果十分令人兴奋
究相对论的人尤其兴奋
就某方面来说
他们多年来在讨论的东西
超大质量而高密度 具有极强重力的恒星
也许真的存在
这是坠落物质的速度
使恒星崩溃并开始形成黑洞
当坠落物质移动最快速时
速度约为光速的99%
电脑的计算显示至少有部分的 星球爆炸会形成黑洞
但如果没有东西能离开黑洞
我们又如何能侦测的到呢
于是我们遇到的状况是
也许我们该观测这些事情
看看我们是否真的能观看到
找出如何看到无形的东西 并非易事
但在找出发现黑洞的方法前
丰富的想像掩盖了科学事实
托比明白了
一个黑洞把恒星撕开
柯林极难得的首肯
正好被我们瞧见
黑洞吞下了恒星
但它喜欢先咀嚼它们
他几乎无法正视刺眼强光 看着这向内摆动的景象
园盘围绕着一白色炙热的球旋转 具有极强的能量
乔治班弗是畅销科幻小说家
他的故事特别具说服力
因为他同时也是个 电浆物理学家
我渐渐发现至少有 一个案例显示出
我们的银河中心 也许真有一个黑洞
它不只有太阳的数倍大
而是几千或百万倍
此预测令我无比兴奋
我觉得在这样一个地方 将会有意想不到的效果
它会是什么
掉进里面的感觉会是什么
掉进里面被潮汐力量拉成 像面一样薄的感觉是什么
你如何在附近生存
你会靠什么生存
当科幻小说将黑洞的威胁 带入我们的生活
恐吓俘虏了人们的想像
黑洞能成长为难以致信的大小
一旦它开始吞食
没有任何物体能逃脱
即使是星球或整个银河系
它变得结实而巨大
因此遇到其他物体时
能吃下更多的东西
它成了猎食所有物体的食客
因为没有物体可以脱逃
如果这发生在 最可能的银河中心
星星最密集之处
有较多的灰尘和气体
那这便是黑洞开始的地方
这也是觅食区的所在
它们会开始吞食周围的一切
黑洞是个科学真相与科学计算
远胜后来居上的科幻之处
令许多科幻小说家 推断的一个问题是
黑洞内所发生的事
电脑计算也无法提供解答
因为它们在极端的情况下 也会变得不准确
但数学家罗杰潘罗斯 提供了答案
他像我一样受到指导者 丹尼斯席摩的鼓励
而究相对论
罗杰和他的父亲李奥纳潘罗斯 写了一篇文章
我猜艺术家艾斯克因此而闻名
文章名为不可能的物体
强调你可以在纸上作设计
而艾斯克所做的设计即是如此
是无法存在于真实世界的
例如有幅画中有环绕的阶梯
但当你持续绕行时 会发现它们不断的往下
虽然你不断往下走 但最终你会回到原点
你可以画出这样的意境
但这在现实生活中是不成立的
罗杰潘罗斯有的便是 能构想这种关系的思维
当时存在的争议是
在星球崩溃的最后阶段中
中心点是否会达到无限的密度
如果理论上它会达到无限密度
那就某方面来说这理论是错的
因为当中存有矛盾
这理论并无法前后一贯
如果我们最好的重力学说 都无法前后贯彻
那我们的物理学便岌岌可危
相对论中存有自身衰变的因子
此一密度无限点称为奇点
多数科学家认为在现实世界中
奇点是无法形成的
但潘罗斯并不如此消极
他在1965年证明了 一个星球在生命最终期
于自然状态下会产生 自我矛盾的无限密度状况
理论家的恶梦成真
如果它们存在
黑洞在奇点 击败了20世纪的物理学
但丹尼斯席摩并未因此而停止 鼓励学生更深入究奇点
我受颁博士学位
是因证实潘罗斯提出的问题 同样也能运用在宇宙初期
宇宙起源的大爆炸 及黑洞都会出现在奇点
在那里空间与时间不存在
而物理法则也失去意义
黑洞特有的神奇力量
使它们似乎更有可能 是了解活跃类星体的关键
如果这是事实
证实黑洞的存在就极为重要
但该找寻的是何种 显露内情的迹象呢
在俄罗斯如同美国
曾致力于核武的科学家 也着手究黑洞的奥秘
杨卡赛多维克将搜寻它们 视为自己的任务
赛多维克显然记得每一细节
所有付出都是为能更看清黑洞
我确信发氢弹有助 他的天文物理学究
毕竟多数的天文物理 都是受控的氢弹形式
如何才能观测到黑洞呢
你无法直接看到它
你可以由爪子看出狮子
或甚至由爪子印看出
这比实际靠近一只狮子安全
所以他说
假设有两个像这样绕行的恒星
其中之一是黑洞
假设是小的这个
这黑洞有强烈的重力影响
能将另一恒星表面的气体全吸走
当它试着绕行黑洞时 首先会被潮汐力量分裂
然后被撕碎抹掉
而相互撞击的部分 会彼此摩擦
密度会非常高
温度也会升高
温度升高后
它们会发散电磁波及X光
赛多维克指出 太空人依循爆发的X光
便能找到似乎凭空绕行的恒星
黑洞存在的证据
观测证据开始出现
但仍十分不明确
我不想看到我所有对黑洞的究 付之一炬
所以我与约翰惠勒的学生 奇索恩打了个赌
有人猜测这对史帝芬而言 是种保障
而非是他真正相信的理论
因为他与奇索恩打赌黑洞 并不存在于自然世界中
虽然它们在理论中是成立的
他以一年的阁楼杂志 赌奇索恩四年的窥视杂志
赌注是如果黑洞确实存在
他必须付奇索恩一笔适度的费用
但如果黑洞并不存在 而他对黑洞的究白费了
至少他能得到一套不错的杂志
包括艾利克菲力本克在内的 新世代天文学家
也开始寻找似乎受陷 而绕行黑洞的星球
你会选择最有可能的那些
而根据赛多维克及他人的假设
它们会是发射X光的恒星
所以我们在1988年找到一个 爆发出X光世界的物体
我们想等待它的X光能量减弱
因为爆发X光的同时
它同时爆发其他各种波长的电磁辐射
所以有一段长时间
所有被落入黑洞的物质 会散发大量各种波长的光线
以致产生了恒星上 我们看来会来回振荡的光
所以必须等到它减弱
直到黑洞停止 从另一星球吸取物质
于是我们只能等待
在首次观测到它的7年后
球体周围的光和热开始减弱
菲力本克及同事蓄势待发
我们想尽可能找到直接的证据
证实一个密实的物体 一个黑色星球
正施力吸引着另一个伴星
方法是测量此伴星的运行
而非直接拍摄黑洞的画面
那只会呈现全黑
最好的方法是测量 它对周围物质的影响
接着可以找出星球上 光的细微颜色转变
如果有这样的转变
而它们周期性来回地循环
那表示有物体施力牵引着这个恒星
直到望远镜锁定这个星球
菲力本克开始分析它发射出的光
这就是我们认为 正绕行着黑洞的星球
我们来分析它的光谱
当星球绕着看不见的物体
星球上的光从光谱的红色端 来回移向蓝色端
根据移动的速度
菲力本克就能计算出 此物体的大小
太棒了
这是个黑洞
我们试着证明 一个极端自然现象的存在
爱因斯坦的一般相对论 所预知的一种自然型态
但并不一定是自然衍生而成的
我是指黑洞存在于科幻小说 及我们生活中
这是个很好的话题
是个很好的概念
越来越多的证据 使更多的科学家相信黑洞的存在
聪明的理论家提出许多 针对每单一物体的解释
但当所有的物体都显示相同 能被黑洞假说所解释相同的现象
却无法自然使用其他假设时
你不免觉得没成就感
而想找出适用每个物体的理论
但这又不太适当
就是不太对劲
感觉不对
但当所有种类的物体 行为模式相同
也能以一简单的理论解释时
你会有自信看到的真的是黑洞
目前黑洞的证据充足
我不再需要有其他的信心辅助
我已输掉了赌注
奇索恩开始收到阁楼杂志
使他开明的老婆也觉恶心
一旦证实黑洞必定存在
天文学家开始找出 它们与类星体的关系
以及宇宙进化的方式
类星体似乎是宇宙初期的居民
它们今日已不存在
然而如果它们的能量 来自落入黑洞的物质
在许久以前当宇宙刚成形时
那它们的残骸应该还存留于 今日看来平凡的银河系中心
随着时间流逝
类星体中心逐渐用尽所有气体
及邻近的其他物质
它停止吞食这些物质
因此随时间消逝
因为类星体只在 吞食其他物质时发光
天文学家已找到 绕行十分快速的星球的证据
位于看来似乎乏味 静止的的银河中心
那里的物质似乎 非常快速的绕行
没有理论家想过 在这么小的空间中
会有黑洞以外的东西 藏在这个银河的中心地带
这园盘环绕着一个 带有炙热能量的白球
为何所有东西都如此的热
因为摩擦
所有沿着黑洞 越来越紧密绕行的东西
摩擦其他东西如气体及灰尘 因而生热
而不只如此
整个星球都被磨成气体与灰尘
它们彼此搅拌
温度升高
整个园盘便会发光
速度最快的中心亮度最高
因为越接近黑洞速度便越高
这个发光的园盘
不是个〖射唱盘 而是宇宙中的园盘
从极远的距离都看的见
因为它与整个宇宙的 银河面垂直时特别光亮
这是我们认定的类星体
园盘及它周遭的环境 也会受到辐射而加热
从久远的过去朝我们发光
因为我们所见的类星体 如今都已死亡
它们并不会存在太久
它们快速地卡尽自身的能量
我们正回顾着数百万年的过去
看着星系大量地 卡烧着它们的遗产
所以它们会传送 短暂的讯号给我们
然后它们就消失
最终成为灰烬不见
我们银河的中心 从未在那族群内
它从未是 含有十亿恒星的质量
大约只有百万
但它曾比如今更加明亮
当时生存在它附近 则会是危险的
我们现在也许了解了 黑洞与类星体的关系
但仍有众多的谜题等待解答
也许听来奇怪
但我发现物体是能脱离黑洞的
在显微镜的尺度下
粒子的速度 总带有些许不确定性
这表示颗粒能移动比光速快
也能从黑洞中脱逃
有些人称之为霍金辐射
我不觉得我能使用此名称
许多物理学家相信此种辐射 完全取决于落入黑洞的物质
但我认为此辐射会随机变化的
并不能传递任何讯息
我因此与奇索恩打了另一个赌
但这一次他与我同一阵线
我们与另一个 物理学家约翰布鲁斯打赌
所有资讯会在黑洞中遗失
输者必须买一本查阅容易的 百科全书给胜利者
科学家从黑洞的发现学到 坚持不可能的想法是不明智的
SETI的瑟斯赛斯达克 在自己的工作中找到端倪
某方面而言黑洞的故事 与我们的究类似
因为事实上黑洞先存在于理论中
才真正被发现于天空中
这并非天文学中的正常做法
一般的天文学
是你先用望远镜发现某物体
然后你再试着解释它
但黑洞是理论家早在任何人 以望远镜看到它们时就发现的
我们在SETI也有相同的情况
我们期望银河系中充满文明
而且是高科技文明
这是我们期望的
也是我们的信念
这是建立于可靠的推理之上的
现在我们使用电波望远镜
去找出它是否真的存在
我们真的能听见外星人吗
找寻黑洞与外星人 有着显著的差别
至今36年来
我们还未接收到任何 确定从宇宙传来的声音
这是个事实
无可否认
但对于黑洞的奇特预测 的确为SETI带来新的可能性
在SETI我们不广播
我们不对外传送讯号
我们不这样做的原因 是距离十分遥远
如最近的文明距我们一百光年
我们送出一个讯号 要一百年才会到达对方
如果他们愿意回应
也要另一个一百年 才能送回答案
这总共要花掉两百年
你可能已失去兴趣
资金可能也用尽了
但也许时间根本不是问题
当物理学法则失效
在黑洞的深处
存在着更多奇特的可能性
理论家认真探讨着时光旅行 以及虫洞
穿越时间和空间的隧道
我们也许能从我们的宇宙 逃脱到另一个宇宙
就数学而言
这是可能的
黑洞物理学接触到 我们所知物理学的所有细节
这也是它何以吸引顶尖理论家
因为它是创造突破的机会
因为前进的是未知的领域
有人质疑此速度限制于沟通及运输
光速
你无法移动的比光速还快
你无法以超越光速的速度 传送讯息
但黑洞物理学家表示 虽然还未证实
但也许有其他方法能传送资讯
用黑洞物理原理
或黑洞本身
这暗示着也许有实际的方法 能利用黑洞的力量
如果银河系中 有绝对先进的文明
你也许记得我们仍是后来者
地球已存在四五十亿年
但银河系的生命至少有其两倍
所以也许有比我们 先进许多许多的文明
他们也许懂得利用黑洞力量
也许我们还等着收到 外来的无线电波时
真正有趣的通讯往来正以 我们尚未发现的方式进行着
所以也许我们都会敷衍的回应 黑洞究所衍生的奇特预测
会说我们不确定 是否要相信穿越时光
或掉进黑洞而进入另一个宇宙
听起来不太对
但他们仍仔细的究
因为他们知道今日的不可能 也许是明日的事实
黑洞是爱因斯坦理论中
受到我们的观测所支持的 非凡的预测
这理论也许容许了 更多异常的可能性
像是快速银河传输或穿越时空
如果这是事实
为何还未有外星人 或未来观光客的造访
当然有人会坚持这已发生
也是幽浮的由来
但我认为他们的出现应更明显 大概也更令人不安