第8章 黑洞的命运

第8章 黑洞的命运

黑洞的未来是一个短期生长和长期蒸发的故事。我们遥远的后代可能会见证银河系中心在以类星体的形式耀发，还可能见证银河系和仙女星系中的超大质量黑洞发生并合。最终，黑洞将达到最大尺寸，不会再产生新的黑洞。即使在黑暗的未来，生命仍然能在宇宙中存在。但是，耗散和衰减的力量将最终取得胜利，从而对生命构成严重的威胁。

不过在目前，黑洞提供了对任何引力理论的终极检验。为了使量子理论与广义相对论取得一致，科学家已经将引力引入到多维时空之中。我们熟悉的3个空间维度只是暗示了存在着额外的、隐藏的维度。黑洞必须被纳入这个新的框架。

引力新时代

引力为什么这么弱？这似乎不是一个合乎情理的问题，尤其是在你觉得很难起床的日子——直到你回想起一根小磁铁棒就可以支持一枚回形针对抗整个地球将它向下拉的引力。引力比其他3种基本相互作用力都要弱得多，试图解释这个简单的事实会把我们带入一个隐藏维度和多重宇宙的兔子洞。

正如我们所看到的，物理学家已经有线索表明，在足够高的温度或能量下，这4种基本相互作用力可能会表现为单一的超力。在20世纪70年代的加速器中我们看到了这4种力中的两种得到统一，并由此产生了多项诺贝尔奖。沿着这条道路继续下去，就引出了超对称概念。在日常世界中，自旋为半整数的粒子不会与自旋为整数的粒子发生相互作用。属于前者的有电子和夸克，它们作为一类，被称为费米子；属于后者的有光子和胶子，它们携带力，作为另一类，被称为玻色子[1]。对于亚原子粒子，自旋是一种玄奥的数学性质，它与陀螺或行星的自旋没有直接的相似之处。费米子和玻色子就像油和水一样彼此疏离。超对称则对每个费米子和玻色子都预言了一组影子粒子，从而将这两类统一起来。超对称还预言，在1029开这一惊人的温度下，除了引力以外的所有力都会合并成一个力。理论物理学家求助于超对称，以追求他们的梦想，即基于过多不同亚原子粒子的一种统一性。但是超对称受到了质疑，因为大型强子对撞机没有发现这些影子粒子的任何迹象。

20世纪80年代，弦理论对统一理论形成了第二次攻击。弦理论假设粒子不是基本的，而是被称为弦的微小一维实体的振动模式，从而巧妙地解决了粒子物理标准模型中的一些问题。弦理论给人们带来的兴奋像野火一样蔓延至整个理论物理学界。这种理论基于非常优雅的数学，并且它自然地把引力和其他3种力结合了起来。然而，经过10多年的热切研究，许多物理学家逐渐对弦理论感到灰心丧气。其中用到的数学知识很难，常常难以处理，而且它要求时空有9个维度，这似乎多出了5个维度！在弦理论中，这些“隐藏的”维度只有在令人难以置信的1032开的极高温度或10-35米的极小尺度下才能显现出来。看来这种理论是不可检验的[2]。

接下来登场的是丽莎·兰道尔。从小到大，她一直对数学很感兴趣，因为它能提供明确的答案。她是著名弦理论家布赖恩·格林在纽约史岱文森高中的同学，也是该校数学团队的第一位女队长。18岁时，她以一个关于高斯整数的项目在西屋人才选拔赛中获胜。从哈佛大学获得博士学位后，她到河对岸的麻省理工学院担任助理教授，成为理论物理学界的一颗冉冉升起的新星。

丽莎·兰道尔的兴趣和才智不仅表现在数学方面，而且也表现在音乐方面，然而没有多少歌剧受到理论物理学的启发。即使是歌剧迷可能也要挠破头才会想起菲利普·格拉斯的《海滩上的爱因斯坦》（Einstein on the Beach）。丽莎·兰道尔为这部小型作品增加了《超音乐序曲：一部七个层面中的投射歌剧》（Hypermusic Prologue: a Projective Opera in Seven Planes）。西班牙作曲家赫克托尔·帕拉谱曲，兰道尔写了剧本。

为了弄明白丽萨·兰道尔为什么会受到启发去创造性地思考引力，让我们回到奇点这个棘手的问题上来。根据广义相对论，每个黑洞都包含一个奇点，即一个时空曲率为无穷大的地方[3]。在黑洞内部，爱因斯坦方程一败涂地，预言了一些物理上毫无意义的事情。斯蒂芬·霍金证明了奇点在黑洞中是不可避免的，他以引人瞩目的方式表述了这个问题：广义相对论包含着自我毁灭的种子。

打破这种僵局的一条可能的途径要用到弦理论。研究弦理论的动机来自基础物理学中的一些问题，其中之一是要把自然界中的各种力统一在一个框架内。弯曲时空的“光滑”理论与亚原子粒子的“颗粒状”理论不一致。这就要求探索量子引力，爱因斯坦数十年的努力就受挫于此。此外，总体取得成功的粒子物理学标准模型也存在着缺陷。在这个模型中，电子的大小为零，因此必然会出现无穷大的质量密度和无穷大的电荷密度——这是奇点似乎违反物理学原理的另一个例子。目前，我们还无法解释为什么存在这么多有着不同质量的基本粒子，为什么物质的数量远远超过反物质，为什么暗物质和暗能量是宇宙的两个主要组成部分[4]。

兰道尔知道，20世纪90年代的弦理论研究曾探索过膜的丰富性。“膜”是“薄膜”的简称，是指高维空间中的低维物体。想象一张纸，它是三维空间中的二维物体。在这张纸上爬行的蚂蚁被限制在二维空间中移动，它们对第三个维度一无所知。甚至还可能有蚂蚁在另一张纸上爬行，而这些蚂蚁并不知道在一个第三维中离它们不远的平行“宇宙”。与此类似，我们自己的宇宙也可能是一张膜，一个漂浮在更高维度的海洋中的三维岛屿。粒子被限制在这张膜上，但兰道尔知道引力不会被限制在这张膜上，这是因为广义相对论认为它必须存在于空间的整个几何结构中。她意识到这也许可以解释为什么引力如此之弱。

兰道尔多年来一直对额外维度的想法有抵触，但在麻省理工学院时，她与波士顿大学的拉曼·桑德拉姆合作研讨膜。他们提出的数学方法描述了一对宇宙，它们是被五维空间薄薄分隔的四维膜。他们发现这两张膜之间的空间是扭曲的，并且这种扭曲可以放大和缩小这两张膜之间的物体和力。因此，在一张膜上，引力可以与其他力一样强，但是如果我们碰巧在另一张膜上，那么引力就会非常弱（见图63）。兰道尔和桑德拉姆随后对另一种认识感到震惊：第五维可能是无限的，而我们不会察觉到它。在那之前，物理学家采用弦理论的传统观点，即额外维度紧紧地卷曲起来，以至于任何实验都无法探测到它们。在兰道尔和桑德拉姆的理论中，它们也许可以用加速器观测到[5]。

这项工作使他们成了超级明星。桑德拉姆得到7份工作邀请。考虑到他曾对他们的这些想法有多么忧虑，他对这份好运气陷入了沉思：“解决这个问题令人兴奋不已。我们有理由害怕得要死。在每种情况下，我们都有一种明显的恐惧，害怕自己被彻头彻尾地愚弄。”兰道尔成为哈佛大学悠久历史上的第一位理论物理学终身教授。她鼓起勇气写了一些畅销书[6]，并且不那么令她自在的是，她还经常受到邀请代表科学界女性发表讲话。她吐槽道：“我喜欢解决简单的问题，比如空间中的额外维度。所有人都认为科学界女性是一个比较简单的问题，但实际上这个问题要复杂得多。”[7]

膜与黑洞高度相关。正如我们在第1章中看到的，斯特罗明格和瓦法用弦理论重复出斯蒂芬·霍金用经典物理学推导出的黑洞的熵和辐射。理论物理学家将膜包裹在紧紧卷曲的时空区域，由此表明他们可以计算出黑洞内部的质量和电荷。由于完全不同的原因而发展起来的纯数学可以用来计算像黑洞这样的“真实物体”的性质，这一事实被认为是弦理论的一大胜利。

我们可能生活在一个三维的泡中，漂浮在五维、六维、七维或更高维的膜的海洋中[8]。所有这些都混合在一个叫作多重宇宙的结构之中。这与上一章末尾描述的多重宇宙截然不同，后者基于与大爆炸共存的量子真空态中可能出现的其他时空。弦理论多重宇宙是一组阴影般的多维空间，与我们所生活的宇宙共存。

更高维度还没有在实验室或加速器中被探测到，许多物理学家认为膜就像弦一样，只是一种聪明的数学构造，而与现实没多大关系。在某些领域，有益的怀疑主义已经变成了一种强烈的反对。不过，兰道尔仍然充满希望。这位引力大师继续着她在高等数学无人涉足的前沿领域的研究。让我们把最后一句话留给诗人，而不是物理学家。诗人E.E.肯明斯写道：“听：隔壁有一个极好的宇宙，让我们去吧。”[9]

我们门阶上的类星体

黑洞是演化的死胡同。对于一颗大质量恒星来说，它们体现了下面的结果：没有能量可以产生，而引力是胜利者。星系中心的超大质量黑洞是宇宙中最深的引力势阱。它们会不可阻挡地生长，不可能永远挨饿。我们拥有一个内场座位，可以近距离观看离我们最近的大质量黑洞（就是我们的银河系中心的黑洞）的演化。我们是否有可能回看银河系耀发生成的那段时间，来预测它可能会在未来的何时明亮燃烧？

最好的探测器是X射线辐射，因为它可以通过星系盘上的气体和尘埃到达我们，而光学波段的光则会熄灭。在用X射线望远镜监测人马座A*的20年里，它在大部分时间都非常安静，每隔几个月就会出现耀斑；在不到1小时的时间里，它的亮度会增加5～10倍[10]。

但这只是20年的观察。我们有可能要在比人类寿命更长的时标上才能看到黑洞的燃料供给变化。天文学家把来自4颗不同卫星的数据结合起来，探测到了300年前的一次大耀斑的X射线“回波”。那个时候，人马座A*比现在亮100万倍，随后这些辐射在距离黑洞几百光年的一团分子云上被反射后到达地球。这些初始辐射大部分在18世纪早期到达地球，当时还没有X射线望远镜来观测它们。这一事件本身发生在27000年前，当时我们的早期祖先在首次离开非洲后，最先到达了亚洲北部[11]。这一事件很可能与黑洞吞噬一颗恒星有关。

更长的时标又会如何呢？我们能看到目前蛰伏在银河系中心的那个黑洞数百万年前在做什么吗？是的，并且这样做就解决了一个与银河系质量估算有关的难题。银河系的质量是太阳的1万亿倍，其中大约85%是暗物质——将所有星系维系在一起的一种看不见的神秘物质。这就剩下大约1500亿倍太阳质量的正常物质。不幸的是，当天文学家把能看到的所有恒星、气体和尘埃的质量加起来时，结果只有这个量的一半。他们用X射线望远镜发现了失踪的物质，它们以炽热浓雾的形式弥漫在星系中。他们看到一个低密度的“泡”从银河系中心向外延伸到银河系中心与地球间的距离的2/3处。他们计算了排空如此大的一个“泡”所需的能量，并推断出银河系过去必定经历过一个类星体阶段[12]。激波正以320万千米/小时的速度移动，它将在大约300万年后到达我们这里，所以没有必要恐慌。回溯2万光年意味着这个类星体阶段始于600万年前，当时早期原始人类已经在地球上行走了。银河系中心附近存在着年龄为600万年的一些恒星，这就证实了这根时间轴，这些恒星很可能是在更早的黑洞进食阶段由流向黑洞的物质形成的。600万年前，银河系的黑洞在疯狂地进食，然后喷出如此大量的能量和气体，以至于耗尽了食物而进入冬眠阶段。

银河系中心的未来会怎样？它现在处于非常安静的状态，但这不会永远持续下去。我们可以预料我们门阶上的这个类星体每隔几亿年会点燃一次。有迹象表明，银河系中心正在聚集起来准备进入另一个活跃阶段。X射线观测提供了证据，表明离人马座A*3光年距离之内有一大群黑洞和中子星，总数为2万个[13]。这是银河系中坍缩恒星遗迹聚集度最高的地方。它们在几十亿年的时间里迁移到中心。如果你有一个碗，里面装有同样大小的黑色大理石球和木球。你晃动这个碗，大理石球就会移动到碗的底部，这是因为它们比较重。同样，引力相互作用会导致黑洞比普通恒星更加向中心集中，尽管后者的数量要多得多。

不过，我们会见证类星体再次活动的可能性仍然极低。对于像银河系这样的一个星系，在太阳剩余的50亿年寿命中，黑洞可能只有在1%的时间里会变亮10亿倍[14]。银河系最后一次成为类星体时，黑猩猩和人类正处在演化树上的分叉点上。下一次可能是数千万年以后。

假设那时我们仍然作为一个物种存在，那么我们会看到些什么？没有什么是显而易见的。我们与射手座A*之间的尘埃之多导致大部分可见光都被遮挡了。人眼不可见的射电喷流垂直于银河系将天空一分为二。高能辐射也会激增，导致基因突变率升高。除非我们找到永久的避难所，否则我们的DNA将会被不断地撕碎。但如果我们能从星系盘往上升高100光年，从这个角度，我们就能看到闪耀黑洞的壮观景象，它的吸积盘像满月一样明亮。

与仙女星系并合

我们正处在与我们最近的邻居碰撞的过程之中。在太阳死亡之前，银河系和仙女星系将会靠近、相互作用及并合，这会给太阳系及其居民带来不确定的后果。每个星系中心的黑洞并合会是你能想象到的最壮观的景象之一。

一个世纪之前，我们就知道仙女星系M31正在以120千米/秒的速度靠近我们。由于宇宙的膨胀，星系一般都在远离我们。但是银河系和仙女星系非常接近，因此它们之间的引力足以战胜宇宙膨胀。哈勃空间望远镜对仙女星系横向运动的测量显示，它几乎在直接向我们飞来[15]。数值模拟表明，在20亿年内，这两个星系将会相互扫过。当它们分开时，一座由恒星和气体组成的幽灵般的桥会把它们连接起来。目前，仙女星系是一片暗弱的、模糊的光斑，肉眼几乎看不见。40亿年后，仙女星系将赫然出现在夜空中，地球上的任何人都会看到它（见图64）。大约45亿年后，这两个星系将再次靠近，密近地绕几圈，然后并合。在接下来的10亿年里，它们将形成一个平滑的大星系：银河仙女星系。

这个假想的新星系是由哈佛大学的阿维·洛布命名的，他与哈佛大学博士后T. J. 考克斯合作完成了这次并合的计算机模拟。他们改变了假设和起始条件，每次模拟都要花费相当于20台最先进的台式计算机两周的时间[16]。两个星系之间的碰撞不像车祸。星系中大多是空的空间，所以极少有恒星实际上发生相互撞击。如果恒星像高尔夫球那么大，那么它们之间的距离就是1000千米；即使在星系中心，恒星之间也会相距3～4千米。引力将使恒星剧烈地运动，但它们的太阳系将保持完好无损，因此，未来的地球人将看到一个崭新的夜空，因为我们会脱离银河系的常规轨道，被搬到一个新的位置。

在这场星系火车失事中，地球和太阳系将会发生什么？银河系和仙女星系第一次近距离通过后，太阳会有10%的概率被甩入潮汐尾（当两个延展天体的引力相互干扰并扭曲它们时，就会出现潮汐尾）。这将使我们能够鸟瞰随后的活动。仙女星系甚至有3%的概率会从银河系中“偷走”太阳。在第二次（即最后一次）靠近的过程中，太阳将有50%的概率移向银河仙女星系的密集内部区域，也有50%的概率被赶出去。于是，我们的后代就能从远处观看引力将这些碰撞结果协调成一个光滑的星系。

所有这些都是助兴的穿插节目，主要事件是银河系中400万倍太阳质量的黑洞与仙女星系中再大50倍的黑洞的相遇[17]。这两个黑洞将会聚在银河仙女星系的中心附近，通过将能量转移给它们遇到的恒星而向内移动，其中一些恒星将完全从银河仙女星系中被弹射出去。这将需要大约1000万年。当它们之间的距离达到1光年以内时，它们将进入一个死亡螺旋，并且在并合前突然释放出引力波[18]。

银河系与仙女星系的并合不是罕见现象，这样的事件在宇宙中不断发生。尽管并合率已随着宇宙的膨胀而下降，但数值仍然相当大。不过，并不是所有的并合都遵循LIGO测到的黑洞模式。当恒星级双黑洞并合，并且它们的自旋恰好反向时，引力波就可以带走足够的动量，使并合后的双黑洞经历一次反冲。反冲的力量足以将并合后的剩余部分弹射出去。像银河系这样的星系偶尔会向星系际空间吐出黑洞。两个星系并合后的超大质量黑洞也可能发生这种现象。想象一下巨大的、裸露的黑洞以每小时数百万千米的速度在星系际空间中航行，这是多么奇妙!

目前已有6个双星超大质量黑洞得到了确认。在前一章中，我们讲到了LISA用于探测这种双星的并合。模拟这些并合所需的理论工具直到最近才开始研究[19]。我们不需要像等待银河仙女星系那样为一个信号等上数十亿年。类星体PG 1302-102距离我们35亿光年。它有一对轨道周期为5年的双黑洞，这说明两个黑洞之间的距离只有1光月。这意味着死亡螺旋即将来临（由于信息到达我们这里需要时间，因此它实际上发生在35亿年前）。更令人兴奋的前景是100亿光年之外的一对黑洞，这两个黑洞的质量都是太阳的几十亿倍[20]。它们的轨道周期是一年半，这意味着它们的间距是史瓦西半径的6倍，所以这个系统足够接近，会发生应该倾吐出引力波的并合。这两个黑洞实际上是在数十亿年前并合的，但我们可能只需要等上几千年就能听到它们的时空之歌。

宇宙中最大的黑洞

超大质量黑洞令人联想到电影《星际穿越》中的黑暗核心——卡冈图雅。卡冈图雅是太空旅行者的目的地，他们希望利用虫洞穿越时空。它的质量是太阳的1亿倍，它的视界相当于地球轨道的大小，它在以99%光速的速度自旋。正如我们所看到的，卡冈图雅是大众媒体对黑洞的最真实的描述。这要感谢基普·索恩的贡献，他确保了这部电影在科学和艺术上的处理都是恰当的[21]。

卡冈图雅的质量是银河系中心黑洞的25倍，但这一质量与最大的黑洞相比仍然微不足道。斯隆数字巡天项目在遥远的宇宙中发现了10个超过100亿倍太阳质量的黑洞[22]。它们必须非常迅速地吸积物质，才能在短短15亿年的时间里，从它们的种子质量增长100万倍。这些庞然大物使太阳系的尺度相形见绌（见图65）。纪录保持者是一个强射电辐射类星体，它的黑洞质量为400亿倍太阳质量[23]。

天文学家常常漫不经心地谈论着大数字，下面让我们停下来领悟一下极端黑洞的含义。一个质量比太阳大400亿倍的黑洞，其史瓦西半径为4光天，所以其视界的大小是包括冥王星和其他矮行星在内的太阳系大小的20倍。这个黑洞以相当接近光速的速度自转。对比一下，我们太阳系中的外行星[24]需要250年才能完成一次轨道运动，而这个大得多的天体每3个月就自转一次。虽然相当于一个小星系的质量被压缩到相当于太阳系的体积中，但它的平均密度只有你呼吸的空气的1/100。这个黑洞不发光，但它周围的吸积盘发出明亮的光。当这一质量的黑洞处于活跃的类星体阶段时，其光度会是太阳的100万亿倍。

这个宇宙中的一些最大的黑洞即将会发生什么？星系通过从太空巨洞中吸积气体和并合而生长。目前，这两种生长模式都在逐渐减少。随着宇宙变得越来越大，气体变得越来越稀薄，星系之间的距离越来越远，因此它们并合的频率也越来越低。星系的恒星质量与其中心黑洞的质量之间存在着相关性，其范围从球状星团中的104～105倍太阳质量的黑洞，到银河系等星系中的106～107倍太阳质量的黑洞，再到恒星质量达到太阳的1万亿倍的椭圆星系中的1010倍太阳质量的黑洞。无论恒星系统的大小如何，中心黑洞的质量总是大约占恒星总质量的1%。如果将暗物质也包括在内，那么它的质量仅为星系质量的0.1%。

我花了数年时间试图理解超大质量黑洞的生命和时间。我的学生乔恩·特朗普与我在亚利桑那州和智利用6.5米口径望远镜观测了几十个夜晚。现代仪器意味着曾经需要花费一生时间才能收集到的数据，如今在一个研究生完成学位论文的时间内就可以收集到。利用经典光谱学，来自一个活动星系的光穿过狭缝并展开成光谱。我们在智利使用的仪器将狭缝对准满月大小的一片天空区域中的数百个目标，通过单次长时间曝光就可以得到100个黑洞的质量。通过这些数据，我们希望能够讲述宇宙中类星体活动起起落落的过程。类星体是如此遥远，以至于你将望远镜指向哪个方向都没有差别，但是我偏爱南天。银河系在头顶上划出一道弧线，就像一块破旧的银幕，非常壮观。我们的近邻星系麦哲伦云也给我们带来了额外的收获，它们像黑布上的棉球那样悬挂在天空中。外面如此黑暗，而我可以阅读一本用星光写成的书。

我们收集了统计数据，追踪了黑洞在宇宙时标上的总体演化轨迹。要这样做，就意味着要对所有黑洞进行采样，而不是只对极端黑洞进行采样。我已经摆脱了年轻时对耀变体的痴迷，现在想知道是什么控制着活动星系的整个群体结构。打个比方，如果你想知道汽车的群体结构，你的计数结果会告诉你福特和丰田的数量远远超过法拉利和阿斯顿马丁。一个大谜团是黑洞只在一小部分时间里是活动的。另一个谜团是星系中心黑洞的质量与星系中所有年老恒星的质量之间的紧密相关性，而这些恒星分布的尺度要大得多。这就好像黑洞“知道”自己居住的是哪种星系。

在我们的数据中，最大的黑洞在大爆炸后的几十亿年里迅速生长，然后由于缺乏燃料而挨饿。数量更多的较小的黑洞生长缓慢，在过去的50亿年里，它们大多变得宁静了。类星体时代的巅峰已经过去很久了，但是黑洞并没有消失，所以可以推测它们正在挨饿，因为随着时间的推移，为它们提供能量的燃料越来越少。这是可以理解的，因为膨胀宇宙的密度越来越小，星系碰撞率也在下降。但是，对于宇宙时间中的任何一个特定时期以及任何特定的星系质量，我们都无法预测哪个黑洞会蓬勃生长，哪个黑洞会沉寂。这些类星体的未来也同样难以预测。

我们把探究当成了一个游戏，像集邮者那样把类星体作为卡片摊在桌子上。它们中的一些很明亮，这是因为它们有一个伴星系在提供能源吗？在少数情况下是这样，但并非总是如此。有一些很昏暗，这是因为它们生活在一个贫气体的星系里？不一定。我们无法确定任何触发核活动的原因。整体的绘画是有意义的，但是单独的颜料点可以是彩虹中的任何颜色。

大自然是有创意的：它制造出的黑洞质量跨度为10亿倍（见图66）。我们在研究过程中从未发现过质量超过太阳100亿倍的黑洞。这有点令人失望，我一直想在我的简历上加上这一条。理论物理学家预测的黑洞质量的极限还要大10倍，大约是太阳质量的1011倍[25]。在这个水平上，无论宿主星系的质量如何，吸积物理都变得很重要。这似乎是自然界对黑洞的限制。要想变得更大，黑洞每年必须吸积1000倍太阳质量的气体，而这么多的气体在数百光年的尺度上就会坍缩成新恒星，远远早于到达黑洞之前。此外，黑洞还会开始自我调节。涌出的辐射会将进入的气体推开，并阻止进一步供给。这头臃肿的怪兽在贪婪地抓取食物，但是在够得着的范围里什么都没有。

恒星尸体的时代

虽然星系中心的大质量黑洞正在接近一个自然极限，但是大质量恒星的死亡会继续导致更多小质量黑洞的产生。恒星的演化是光明与黑暗力量之间的一场战斗，核聚变产生的能量使恒星膨胀，而引力则使其收缩。正如我们所看到的，在太阳中这些力会再平衡50亿年，然后引力会胜出，将核心挤压成一颗白矮星。大质量恒星演化得更快，当引力胜出时，它们会留下中子星或黑洞。

在今天，宇宙正在走向黑暗。大爆炸后大约1亿年，第一颗恒星形成了，当时的宇宙只有现在的1/30那么大，也比现在热30倍。星系聚合和恒星形成在大爆炸后30亿年达到顶峰，此后便一路下滑。目前的恒星形成率仅为其峰值形成率的1/30，而随着可供形成新恒星的气体越来越少，这种下降趋势还将持续下去。即使我们等到永远，也只会再形成迄今为止已形成恒星的5%[26]。这些都是平均值。在任何时期，质量较大、富气体的星系都比质量较小、贫气体的星系具有更高的恒星形成率。由于恒星会在生命晚期喷射出部分质量，或者以超新星的形式死亡，因此不断减少的气体供给会在很长的一段时间里得到补充。

随着新恒星形成率的下降，所有星系中越来越多的恒星质量部分将以坍缩遗迹的形式存在。大约100万亿年后，一旦恒星形成过程最终停止，最后一个黑洞形成，引力就会取得最终的胜利[27]。巧合的是，这正是最小质量红矮星的预期寿命。红矮星是质量刚好大于足以维持核聚变的0.08倍太阳质量的冷星。这个时标是巨大的。我们现在仍然处在宇宙被恒星照亮的最开始阶段，相当于只有一周大的婴儿。

在遥远的将来，随着恒星时代的结束，银河仙女星系中的4000亿颗恒星将等分为白矮星和褐矮星，还有剩下的一小部分中子星和黑洞。大于0.08倍太阳质量而小于8倍太阳质量的恒星将坍缩到地球大小，并以白矮星的形式将剩余的能量辐射到太空中。从0.08倍太阳质量往下到0.01倍太阳质量（10～80倍木星质量）的那些“失败的”恒星坍缩成褐矮星，它们可能会微弱地将氢聚变成锂[28]。中子星将占银河仙女星系中恒星遗迹总量的0.3%，而黑洞将只占微不足道的0.03%。

经过极长的时间，白矮星和褐矮星会冷却，于是它们的辐射会转移到不可见的红外波长。在一段时间内，双星系统中的黑洞会因为从伴星吸取气体而变得明亮。但最终这些伴星也会变成恒星的尸体，气体的供给源被耗尽，然后星系会慢慢地消失在黑暗中。

蒸发和衰减的未来

我们刚刚描述的遥远未来不仅适用于银河仙女星系，而且也适用于可观测宇宙中数千亿星系中的每一个。它们的恒星与我们的系统中的恒星遵循相同的天体物理学定律，但是我们的后代永远都看不到所有其他星系变暗，原因是暗能量的存在。

暗能量是宇宙学中最大的谜。1995年，天文学家发现宇宙膨胀的速度正在加快，这是由于某种与引力相反的东西在起作用，而引力应该会导致减速。宇宙“馅饼”由25%的暗物质、70%的暗能量和5%的正常物质构成。大大小小的黑洞占宇宙的0.005%，所以它们是非常小的组成部分[29]。暗能量意味着我们现在能看到的星系将会稳步从视野中消失，因为它们会以比光速还快的速度退行。1000亿年后，也就是当宇宙的年龄为现在年龄的10倍时，银河仙女星系以外的所有星系都将退出我们的视界[30]。用比喻的方式来说，我们会沦落到只能盯着自己的肚脐看。恒星时期的终结以及随后发生的事件只有在我们现在居住的星系中才是可测的。

在银河仙女星系变暗之后，未来就是蒸发和衰减。随着时间的推移，星系内的恒星交换能量，较轻的恒星倾向于获得能量，而较重的恒星倾向于失去能量。回想一下那个碗的类比，碗里装有同样大小的黑色大理石球和木球，如果它被晃动，那么大理石球就会移动到碗的底部。一些恒星将获得足够的能量而离开银河仙女星系，从而使剩下的星系变得更小、更致密。这就提高了恒星之间的相互作用率，从而加速了这个过程。与此同时，由引力辐射引起的恒星轨道衰减会使恒星向内运动。大约1019年后，90%的恒星遗迹将被弹射出去。银河仙女星系将会蒸发，剩下的10%的遗迹会落入超大质量黑洞。在银河系和仙女星系并合后，中心黑洞的质量将是太阳质量的大约2亿倍。它最终将生长到大约100亿倍太阳质量[31]。如果把宇宙到现在的年龄比作你生命的第一周，那么你需要再活1000万年才能看完这出戏。

此后，遥远的未来变成了模糊的、推测性的。物理学家冒险越过粒子物理学标准模型来解释为什么宇宙中包含的物质远远多于反物质，并尝试将电磁力与强/弱核力统一起来。这些方案被称为大统一理论，其中大多数预言质子会发生衰变。如果质子发生衰变，那么正常物质就会不稳定。质子衰变从未被观测到，目前的极限是1034年，这就排除了一些而不是所有的大统一理论[32]。如果质子发生衰变，那么除了黑洞以外的所有恒星遗迹都会瓦解成电子、中微子和光子。

宇宙的最终解体需要惊人的时间。如果正常物质会发生衰变，则只有恒星级黑洞和超大质量黑洞才会剩下来。斯蒂芬·霍金预言黑洞会发出微量的低能辐射，从而导致它们缓慢蒸发。重要的是要认识到这只是推测，因为霍金辐射从未被观测到，而且也没有任何现存的技术能探测到它。大质量恒星遗迹蒸发的时标是1076年。位于银河仙女星系中心的超大质量黑洞将在10100年后蒸发。不幸的是，日常的类比已经可悲地无法表达这种近乎永恒的层次，即使这只是通往宇宙最终的热寂之路上的一个中途站（见图67）。

“事情分崩离析，中心无法支撑，只放任无政府状态留在这世上。”威廉·巴特勒·叶芝在1919年这样写道[33]。他是在评论第一次世界大战，但他也许已经预见到了宇宙的终结。这个结局的科学背景是热力学第二定律：普遍趋势是不断增加的熵和无序程度。亚瑟·爱丁顿确认了广义相对论，但并不相信它对黑洞的预言。然而，对于热寂的必然性，他毫不含糊。他写道：“我认为，熵总是增加这条定律在所有自然定律中占据着至高无上的地位。如果有人向你指出，你所钟爱的宇宙理论与麦克斯韦方程组不一致，那么这对于麦克斯韦方程组来说会更糟糕。如果你的理论被发现与观测相矛盾，那可能还有希望，因为这些实验家有时确实会把事情搞砸。但是，如果你的理论被发现违反了热力学第二定律，那我就不能给你希望了，它只能在极度的耻辱中崩溃，除此之外别无选择。”[34]

黑洞是神秘莫测的，所以它们会是宇宙终结时仅存的最后一种天体的想法也是恰当的。

与黑洞共处

至此，我们的叙述已经变得黑暗而阴沉，但别忘了宇宙是为生命而创建的。虽然天文学家还没有在地球之外发现任何生物学实例，但他们乐观地认为会发现。在太阳系中，火星、木卫二、土卫六以及十几颗巨行星的卫星上都有可能存在宜居的地方。在这些地方，由岩石和冰构成的外壳之下存在着水[35]。1995年，在经过数十年徒劳无功的搜寻之后，第一颗系外行星（即绕着另一颗恒星运行的行星）被发现。从那时起便像打开了闸门，目前已确认的系外行星总数达到3700颗以上[36]。早期的系外行星是用多普勒方法发现的，这是因为它们牵引母恒星的方式揭示了它们的存在。比较近期的大多数发现都使用了凌日法，这是因为系外行星会掩食其母恒星而使其短暂地变暗[37]。

银河系中包含着数量惊人的100亿颗表面条件适合液态水存在的类地行星[38]。银河系中的1000亿颗恒星大多数都有类地行星。如果生命只需要碳物质、液态水和本地能源，那么在表面不那么宜居的卫星和行星上就可能存在着几千亿个宜居的地方。时间不动产和空间不动产一样重要。宇宙中有足够的碳，可以让一个地球的“克隆体”在大爆炸后10亿年之内形成，所以一些类地行星上的演化过程要比地球上的超前80亿年。我们实在太无知，以至于无法想象在这无数个世界上可能演化出的所有生物形式。

考虑到我们甚至连另一个世界上的生命都不知道，因此打探遥远未来的生命前景似乎有些不自量力，但无论如何还是让我们试试吧。

生命不需要恒星，只需要一个能源。根据热力学第二定律，生物需要温差来提供可用的能源。地球上的生命利用的是太阳与太空的寒冷真空之间的温差。地球从6000开的太阳那里吸收光子，并向天空放射是吸收量20多倍的300开的光子。生物有机体运行着复杂的过程，局部降低熵或无序度，但这些有机体释放的热量或浪费的能量最终被辐射到太空中。即使生命变成计算性的（在人工智能的意义上），而不是生物性的，能量论仍然适用，因为任何对信息的操纵都需要某种形式的能量。

当宇宙中的恒星耗尽它们的核燃料时，遥远未来的一种假想文明仍然可以利用正在冷却的余烬（白矮星和褐矮星）与深空之间的温差。物理学家弗里曼·戴森考虑了生命的未来，并得出以下结论：在收益递减的时代，生命可以通过休眠越来越长的时间而得以维持[39]。这将持续奏效100亿年左右，但是当所有恒星都消失在黑暗中时会怎样呢？

拯救可能来自黑洞。能量有可能从黑洞的自旋中被提取出来。紧靠视界之外的是一个叫作“能层”（ergosphere）的区域。“ergosphere”这个词来自希腊语，意思是“工作”，它是由约翰·惠勒创造的——这毫不意外。能层被自旋的黑洞拖曳着旋转，就像水被漩涡拖曳着旋转一样。能层在黑洞的两极处较薄——想象一个装满了水的自转气球，旋转导致它在赤道处膨胀。罗杰·彭罗斯在1969年提出，我们有可能从能层中提取出能量[40]。沿着正确的轨道，物体就能进入能层，并带着比进入时更多的能量离开。结果是，黑洞的自旋会稍微慢一些。一个文明可以经过仔细的计算，把一些东西扔进黑洞，然后在它们再次被抛出时收获额外的能量。

另一个聪明的想法是把温度翻转过来，即形成冷的恒星和热的天空。目前宇宙中的黑洞通常是明亮的，因为物质落向它们并形成了一个炽热的吸积盘。然而，在遥远的将来，这些气体将被消耗掉，黑洞会变得寒冷而黑暗，除了还有温度只有几分之一开的微弱霍金辐射。相比之下，宇宙中由于大爆炸留下的辐射而造成的和煦温度是2.7开。随着宇宙继续膨胀，这个温度将会下降。理论物理学家计算出，如果一颗类地行星绕着一个黑洞沿轨道运行，并且它们之间的距离足够近，以至于这个黑洞看起来像在我们的天空中的太阳一样大，那么这颗行星就可以因为这个温差提取大约1千瓦功率[41]。这很可能足以维持一个微型的或非常高效的文明（见图68）。

电影《星际穿越》中也采取了类似的策略。在影片中，一颗名为米勒行星的星球沿着靠近大质量自旋黑洞卡冈图雅的轨道绕行。引力使时间延缓的效应如此明显，以至于在这颗行星上过1小时，就相当于外面的世界过了7年。在这种情况下，米勒行星上的居民可以获得1300千亿瓦功率。但电影想象人们可以住在那里，这就太离谱了。如此巨大的功率会将这颗行星加热到900摄氏度，足以熔化金属。

利用黑洞作为从大爆炸辐射中获取能量的一种方法，其问题在于宇宙膨胀的速度。该辐射的温度现在是2.7开，但是由于暗能量导致宇宙以指数方式生长，因此这些光子被膨胀拉伸成波长很长、能量很低的光子。在1000亿年内，大爆炸辐射的温度将远低于1开。

文明将不得不转变策略。质量等于太阳3倍的最小质量黑洞，其霍金辐射温度为2×10-8开，辐射功率为10-29瓦。这确实很弱，但是除了黑洞自旋之外，直到这些黑洞在1076年后蒸发之前，这将是唯一可用的能量。为了捕获所有的辐射，一个文明必须用弗里曼·戴森想象中智慧外星人可能使用的那种球来包围黑洞[42]。然后，让我们将注意力转向银河仙女星系中心的那个大质量黑洞。它的温度为6×10-18开，辐射功率为10-48瓦。倘若想用它来温暖一个人的手，这真是微弱的火焰。生活在遥远未来的人类需要极度节俭和有耐心。但直到最后一个黑洞在10100年后蒸发，时间是宇宙中永远不会短缺的东西。

我在研究中开始对黑洞有所领悟。它们的质量巨大，神秘莫测，我们穿越空间的鸿沟，在遥远的星系中看到它们。与它们相比，我的生命是短暂的。它们能持续多久？请快速眨一下眼睛。自宇宙大爆炸以来，你可以这样眨眼100亿亿次。到最大质量黑洞消散为止所需的时间相对于宇宙的年龄，正如宇宙的年龄相对于一眨眼的时间。再如此类推3次，才能达到10100年。

这么长的时间是深不可测的。“时钟”这个词很古怪。它来自中古英语“bell”一词，意思是“挂钟”。它提醒人们，在那个时代，钟表没有指针，也没有数字，因为几乎没有人识字。在人类出现的时间过了很久之后，在摆钟之后，在天美时（Timex）和劳力士（Rolex）的机械时间之后，在最后的放射性原子衰变之后，在最后的脉冲星停止自旋之后，将会有黑洞时间。

我想象我能永生。如果我能看到黑洞时间的终结，看到我们或者其他恒星的文明所做的一切，我会看到什么？

首先，那将是一个野蛮时代，这是我们所生活的时代的延续。各种文明在这个时代中怒目相向，被征服的反对者最糟糕的命运就是被扔进一个黑洞，承受被引力撕裂的痛苦。随后也许是文明时代，这个时代中的生物将图像冻结在大黑洞的视界上，当作永恒的纪念。作为一名乐观主义者，我想象还有一个知识时代，这个时代中的一些人学会了如何阅读存储在视界上的全息信息，而其他人则冒险进入自旋的黑洞，在类时表面上避难。这是一个由时间镜面构成的过道，你可以来回旅行，遇见过去的自己和未来的自己，但是永远不能离开。最后是一个感知时代，生命在这个时代中被提炼成纯粹的计算，黑洞是一种信息存储形式。想到这些密码可能维持着宇宙的心跳，真是令人愉快。

引力是最弱的力，但它也是最豪迈、最持久的力。那时，其他的力早已退出，亚原子粒子都已衰变，电磁辐射已被稀释并拉伸至湮没。当黑洞并合时，引力辐射的所有撞击和弦都已成往事。这些球体唯一的音乐就是黑洞自旋时发出的低沉的单调响声。它们缓慢地、不可阻挡地蒸发了。这就是结局。宇宙已经耗散到近乎完美的平滑状态，真空被量子涨落轻微地扰动着。

[1]费米子是自旋为半整数的粒子，服从恩利克·费米和保罗·狄拉克在20世纪30年代定义的统计规律。没有任何两个费米子具有完全相同的一组量子属性。基本费米子包括电子和6种类型的夸克。复合费米子包括质子和中子。玻色子是自旋为整数的粒子，符合阿尔伯特·爱因斯坦和萨特延德拉·玻色在20世纪20年代定义的统计规律。基本玻色子包括光子、希格斯玻色子和（仍然是假设的）引力子。复合玻色子包括氦核和碳核。任何数量的玻色子都可以有相同的量子态。虽然费米子被认为是粒子，玻色子被认为是力的载体，但是这两类之间的区别在量子力学中并不清晰。——原注

[2]请注意，额外维度的概念并不一定是质疑弦理论是一种对自然界的描述方式的理由。多维空间的数学是在19世纪中叶由高斯和波约伊提出的。20世纪20年代，卡鲁扎和克莱因对一种纳入了一个额外维度的引力理论进行了早期研究。弦理论目前仍然是理论物理学中一个非常活跃的领域，取得了一些进展，但也遭到了一些强烈反对。要了解弦理论作为万物理论的美和潜力的正面观点，请参阅B. Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory（New York: W. W. Norton, 2003）。要了解对抗的观点，请参阅L. Smolin, The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next（New York: Houghton Mifflin, 2006）。——原注

[3]在非旋转黑洞中，奇点是一个点；而在旋转黑洞中，奇点是一个环。对于物理学家来说，环形奇点令人讨厌的程度不亚于点形奇点，因为沿着其圆周的每一点仍然具有无穷大的时空曲率。——原注

[4]J. Womersley,“Beyond the Standard Model,”Symmetry, February 2005, 22-25. 另一篇技术性稍强、标题相同的文章是J. D. Lykken,“Beyond the Standard Model,”a lecture given at the 2009 European School of High Energy Physics, CERN Yellow Report CERN 2010-0002（Geneva: CERN, 2011）, 101-09。——原注

[5]L. Randall and R. Sundrum,“An Alternative to Compactification,”Physical Review Letters 83（1999）: 4690-93.——原注

[6]L. Randall, Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe’s Hidden Dimensions（New York: Ecco, 2005）. ——原注

[7]M. Holloway,“The Beauty of Branes,”Scientific American 293, November 2005,38-40. ——原注

[8]L. Randall,“Theories of the Brane,”in The Universe: Leading Scientists Explore the Origin, Mysteries, and Future of the Cosmos, edited by J. Brockman（New York:HarperCollins, 2014）, 62-78. ——原注

[9]E. E. Cummings,“Pity this busy monster, manunkind,”in E. E. Cummings: Complete Poems 1904-1962（New York: W. W. Norton, 1944）. ——原注

[10]J. Neilsen et al.,“The 3 Million Second Chandra Campaign on Sgr A*: A Census of X-ray Flaring Activity from the Galactic Center,”in The Galactic Center: Feeding and Feedback in a Normal Galactic Nucleus, Proceedings of the International Astronomical Union, vol. 303（2013）: 374-78. ——原注

[11]M. Nobukawa et al.,“New Evidence for High Activity of the Super-Massive Black Hole in our Galaxy,”Astrophysical Journal Letters 739（2011）: L52-56. ——原注

[12]F. Nicastro et al.,“A Distant Echo of Milky Way Central Activity Closes the Galaxy’s Baryon Census,”Astrophysical Journal Letters 828（2016）: L12-20. ——原注

[13]“Chandra Finds Evidence for Swarm of Black Holes Near the Galactic Center,”NASA press release, January 10, 2005.——原注

[14]D. Haggard et al.,“The Field X-ray AGN Fraction to z=0.7 from the Chandra Multiwavelength Project and the Sloan Digital Sky Survey,”Astrophysical Journal 723（2010）:1447-68. ——原注

[15]R. P. van der Marel et al.,“The M31 Velocity Vector: III. Future Milky WayM31-M33 Orbital Evolution, Merging, and Fate of the Sun,”Astrophysical Journal 753（2012）: 1-21. ——原注

[16]T. J. Cox and A. Loeb,“The Collision Between the Milky Way and Andromeda,”Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 386（2007）: 461-74. ——原注

[17]M31具有位于一个致密星团内的双核，这一事实使它的研究变得复杂。其中较亮的一团偏离星系中心，而5光年之外的较暗的一团中包含着这个巨大的黑洞。由于它距离我们250万光年，因此即使使用哈勃空间望远镜也很难对核区进行详细的研究。黑洞质量的最佳测量值在1.1亿倍到2.3亿倍太阳质量之间。参见R. Bender et al.,“HST STIS Spectroscopy of the Triple Nucleus of M31: Two Nested Disks in Keplerian Rotation Around a Supermassive Black Hole,”Astrophysical Journal 631（2005）:280-300。——原注

[18]J. Dubinski,“The Great Milky Way- Andromeda Collision,”Sky and Telescope, October 2006, 30-36. 更专业的处理方法，请参见F. M. Khan et al.,“Swift Coalescence of Supermassive Black Holes in Cosmological Mergers of Massive Galaxies,”Astrophysical Journal 828（2016）: 73-80。关于最终并合如何发生的理论是不确定的，参见M. Milosavljevic and D. Merritt,“The Final Parsec Problem,”in The Astrophysics of Gravitational Wave Sources, AIP Conference Proceedings, vol. 686（2003）: 201-10。——原注

[19]F. Khan et al,“Swift Coalescence of Supermassive Black Holes in Cosmological Mergers of Massive Galaxies,”Astrophysical Journal 828（2016）: 73-81. ——原注

[20]T. Liu et al.,“A Periodically Varying Luminous Quasar at z=2 from the PAN- STARRS1 Medium Deep Survey: A Candidate Supermassive Black Hole in the Gravitational WaveDriven Regime,”Astrophysical Journal Letters 803（2015）: L16-21. ——原注

[21]K. Thorne, The Science of Interstellar（New York: W. W. Norton, 2014）. ——原注

[22]W. Zuo et al.,“Black Hole Mass Estimates and Rapid Growth of Supermassive Black Holes in Luminous z=3.5 Quasars,”Astrophysical Journal 799（2014）: 189-201. ——原注

[23]G. Ghisellini et al.,“Chasing the Heaviest Black Holes of Jetted Active Galactic Nuclei,”Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 405（2010）: 387-400. ——原注

[24]外行星是指太阳系内轨道在主小行星带外侧的气态巨行星，包括木星、土星、天王星和海王星。——译注

[25]K. Inayoshi and Z. Haiman,“Is There a Maximum Mass for Black Holes in Galactic Nuclei?,”Astrophysical Journal 828（2016）: 110-17. ——原注

[26]D. Sobral et al.,“Large H- Alpha Survey at z=2.23, 1.47, 0.84, and 0.40: The 11 Gyr Evolution of Star- forming Galaxies from HiZELS,”Monthly Notice of the Royal Astronomical Society 428（2013）: 1128-46. ——原注

[27]F. C. Adams and G. Laughlin,“A Dying Universe: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects,”Reviews of Modern Physics 69（1997）:337-72. ——原注

[28]A. Burgasser,“Brown Dwarfs: Failed Stars, Super Jupiters,”Physics Today, June 2008, 70-71. ——原注

[29]D. N. Spergel,“The Dark Side of Cosmology: Dark Matter and Dark Energy,”Science 347（2015）: 1100-02. ——原注

[30]天文学家一直想知道，如果没有可见星系用于测量红移，未来的银河仙女星系居民将如何知道他们生活在一个膨胀宇宙中。1万亿年后，宇宙膨胀的速度将变得非常快，以至于大爆炸留下的微波也会离开视界。要证明存在银河仙女星系以外的宇宙，唯一的证据似乎就是超高速恒星不断从银河仙女星系中被弹射出去，以及所有其他星系在接近光速。描述这种可能性的是A. Loeb,“Cosmology with Hypervelocity Stars,”Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 4（2011）:23-29。——原注

[31]F. Adams and G. Laughlin, The Five Ages of the Universe（New York: Free Press,1999）.——原注

[32]H. Nishino, Super- K Collaboration,“Search for Proton Decay in a Large Water Cerenkov Detector,”Physical Review Letters 102（2012）: 141801-06. ——原注

[33]W. B. Yeats,“The Second Coming”（1919）, in The Classic Hundred Poems（New York: Columbia University Press, 1998）.——原注

[34]A. Eddington, The Nature of the Physical World: Gifford Lectures of 1927（Newcastleupon- Tyne: Cambridge Scholars, 2014）.——原注

[35]B. W. Jones, Life in Our Solar System and Beyond.——原注

[36]太阳系外行星百科全书在不断更新。——原注

[37]R. Jayawardhana, Strange New Worlds: The Search for Alien Planets and Life Beyond our Solar System（Princeton: Princeton University Press, 2013）.——原注

[38]A. Cassan et al.,“One or More Bound Planets per Milky Way Star from Microlensing Observations,”Nature 481（2012）: 167-69.——原注

[39]F. J. Dyson,“Time Without End: Physics and Biology in an Open Universe,”Reviews of Modern Physics 51（1979）: 447-60. ——原注

[40]M. Bhat, M. Dhurandhar, and N. Dadhich,“Energetics of the Kerr- Newman Black Hole by the Penrose Process,”Journal of Astronomy and Astrophysics 6（1985）: 85100.——原注

[41]T. Opatrny, L. Richterek, and P. Bakala,“Life Under a Black Sun,”2016.——原注

[42]F. J. Dyson,“Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation,”Science 131（1960）: 1667-68. ——原注