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相对论——观测者的指南
黑洞的物理学通常是用广义相对论的语言来描写的，所以值得花点时间做些了解。根据爱因斯坦的理论，两个拥有各自独立的参考系的观测者，当相对加速（或减速）时，它们的时标无法保持一致。换句话说，我觉得经过了10秒钟，而如果你正在加速离开我，那么会感到只过去了6秒钟。
人们首先会想到“哪个人是正确的”，然后去检查时钟是不是被动了手脚。然而相对论明白无误地告诉您，两者都是对的，这里面没有人施展诡计。不同观测者的时间确实在以不同的速度流逝。不过一些常识性的原则被保留下来。例如两人观察到的事件发生的顺序是一致的。故而尽管可能其中一人看到A在B之前一分钟发生，而另一人看到A和B同时发生，任何人不可能看到B先于A发生。所以因果关系保持不变。但许多其他我们认为是理所当然的常识都不再成立了。
为什么在日常生活中从未经历过这种类似悖论的事情？为什么我们从未见过时钟在以不同的速率走动？答案是，我们很幸运没有生活在黑洞附近。在没有极端的加速度，或接近光速的高速，或非常巨大的质量聚集在一起的条件下，这些改变微乎其微，牛顿的运动定律可以很好地得到符合。爱因斯坦并没有去证明牛顿错了，而是扩展了牛顿的思想，使之在更为极端的情况下依旧准确。
黑洞除了对时间的流逝有如此作用外，相对论还告诉我们巨大的质量是如何影响周围的空间的。相对论难于理解的原因之一是其数学框架是四维形式的：三个我们所熟悉的空间维度加上一个时间维度，空间和时间不再独立存在。为相对论提供了大部分数学架构的闵可夫斯基曾这样说道：单独的空间和单独的时间消失得无影无踪，而这两者的复合体开始大放异彩。
如何去想象一个四维的球体？我们都不能。但可以通过只考虑两个维度来对它的特性有所认识。把时空想象成一条四角拉紧的平展的床单。现在在中间放上一只圆球或其他重物，床单就会变形。就像理论告诉我们质量使得时空扭曲一样。穿越这个畸变时空的光线，其路径也会被扭曲。在一个大质量黑洞附近，这种效应会强大到使一个观测者在某个合适角度能同时看到周围星盘的正面和反面。
虫洞，现实还是科幻小说
对黑洞里面的情形，我们只能猜测。难道这个倒霉的恒星真把自己挤压成不存在的东西了吗？有人提出这样一种想法，就是黑洞使得时空畸变到出现一条连接宇宙间不同地点和时间的，甚至连接不同宇宙间的通道。这种叫做虫洞的观点目前还处在科幻小说的范畴，它为里面的人物提供了一种有用的武器使之可以摆脱现代物理学的束缚。但是必须提到，在对黑洞这种怪异物体的严肃的科学研究之中，虫洞的观念也包含在研究内容里。
目前的状况也许可以这样说：任何经过检验的理论都没有排斥虫洞的观点，而同时也没有任何倾向于这种观点的证据。无论如何，在黑洞内部，所有的普通科学规律似乎都已失灵，我们深信不疑的那些常识也不再管用。
第三章 演化中的宇宙 大爆炸后7亿～90亿年
章序
在前两章的讲述之后，我们到达了宇宙演化史上出现能够实际看到的分立天体的时间点。甚至在最早的恒星出现之前，物质收缩形成星系的过程就已经开始。哈勃太空望远镜的深空图像揭示出大爆炸后7亿年时的星系景象它们看上去与在我们附近的天体不同。许多都较小，而且有各式各样奇怪而美妙的形状，有些里面还有大质量黑洞。占主导地位的是神秘的类星体，现在知道这种能量源是非常活跃的星系核，其光度等效于几千个银河系。因为它们如此明亮，所以可以从很远的地方看到，也就是可以追溯到宇宙相当年轻的那些日子。
超大质量黑洞
在这些星系的中心，甚至在很早的阶段就存在着数百万太阳质量的超大质量黑洞。就像我们前面提到过的，它们可能直接由坍缩的气体形成，也可能是大质量恒星的残余又吸附了大量的额外物质而形成的。无论如何，这一尺寸的黑洞其引力都十分巨大，能够吸引庞大数量的物质。
看来在星系形成的早期，当恒星刚开始形成时，有大量的尘埃和气体存在。这些物质的存在为黑洞提供了燃料，并向内旋转形成圆盘状。这时，它所发出的光线分成多个束流，当我们沿着其中一束的方向看过去时，就看到了被称作类星体的威力巨大的信标。在宇宙演化的这个早期阶段，这些原始星系之间的碰撞是很平常的。而当两个星系合并时，新的物质被吸入一个或几个黑洞中，类星体发出闪亮。实际上，所有大质量星系，包括我们的银河系，在演化过程中都经历过类星体的阶段。而近来对某些类星体的研究发现，在其他方面它们就是普通星系。当燃料最终耗尽时，星系就稳定下来。
这个在地球轨道上运行的天文台将望远镜指向了一块以前从未引起过任何兴趣的天空。长达100万秒（略长于11天）的极端长时间曝光使得来自最暗
弱天体的光线也能积累到可被探测到的水平，将这块似乎空无一物的天区变成充满成千上万个星系的地方。图中每一个斑点都代表一个背景星系，而不是背景恒星。并且尽管有少量较近的星系看上去完全平常，大多数则是小很多，暗很多，且明显怪很多。即使根据直观印象也能得出一些结论。例如，颜色发红的星系是最远的，因为红移很大。所以我们可以把这些探测到的天体按照大致的演化顺序分类排列。
通过观察这些最早的星系并尝试以上的分析，可以获得对今天星系如何形成的深入认识。我们不再认为每个星系都是相互隔绝地形成的，否则，在超深空照片中，较大的“普通”星系应该少些。根据模拟结果提出的新的图景是：早期的坍缩会导致较小的结构，然后再经过一系列的碰撞合并形成较大的系统。在可观测宇宙最远古的区域里的这些大量的小星系正是这一过程的原料。探测到的这些星系为这一理论增加了砝码。在超深空视野照片中所看到的正是建造我们所熟悉的现代宇宙的砖石。这一进程甚至可能仍在继续，近年来我们已经认识到银河系也是一个吞食同类的巨物，因为天文学家观测到它正在把一些矮星系撕裂。
这些小系统环绕大星系运动，但渐渐地被拉了过来。最终它们的轨道变形到经常穿越大星系的星系盘。而每次穿越都会被大星系夺走气体和尘埃。经过这样的几个回合，小星系彻底丧失了自己，成为更大的系统的一部分。这就是等待银河系最显着的两个伙伴大小麦哲伦云的命运。
哈勃太空望远镜拍摄的美丽的超深空视野照片，在它的继任者出现之前可能一直是独一无二的。图中那些星系的异常颜色体现出我们所掌握的、本书中心议题的最根本的证据，这就是宇宙确实在膨胀。这众多天体的不同颜色代表着不同的红移。天体越红，看上去就离开我们越快。我们看到的光线在大爆炸后7亿年宇宙年龄的5％时就离开了它们。通过对地基望远镜获得的这些星系的谱线位置的分析，已经证实了这一点。
贯穿这一时期，这些结构还是通过自身引力造成的物质收缩来形成，就像在黑暗（或昏暗）时期那样。这当中也包括最后形成银河系的种苗。银河系的大小超过了平均值，但也不是非常特别。它相当于1000亿个太阳的质量，但赶不上邻近的仙女座旋涡星系。本星系群也不是特别突出，其他的星系群要庞大得多。平均在6000万光年处的室女座星系团包括1000多个星系。
我们的星系：银河系
年轻的星系中储备有大量的气体和尘埃，可以转变成恒星。这些星系的光芒主要发自明亮年轻的蓝色恒星，看上去和我们的星系一个非常正常的旋涡星系很相似。在讨论其他星系之前，有必要详细地了解一下银河系。我们知道它是旋涡状的，其中心距离我们26000光年。整个系统的总直径超过10万光年，看上去像一个双凸透镜（或两个背靠背叠在一起的煎蛋）。沿着这个系统的平面望去，可以看到许多星星几乎排在一条线上，形成了从太古时代起就被称为银河的横跨夜空的壮丽的光带。中心核球（煎蛋蛋黄）的直径约2万光年。平面之外离开星系盘，在我们称之为银晕的地方有巨大密集的球状星团和许多流浪的恒星。
银心不易看到，因为中间有太多遮蔽的物质。但是射电波和X射线则不受阻碍。银河系中心位于人马座的繁星之后，其精确位置是人马座A*（读作人马座A星），是一个很强的射电源。在中心区有盘绕的尘埃云和能量巨大的恒星组成的星团。在很靠近真正的中心的地方有一个260万倍太阳质量的黑洞。其证据来自星表编号为S21、质量是太阳15倍的一颗恒星。长期的跟踪研究发现它在围绕着一个中心天体以15。2年的周期运动。它离中心天体最近的距离只有17光时（光速×小时），已经贴近黑洞“事件边际”的边缘。在那个界限之内，任何东西都无法逃出。它绕行的速度是惊人的每秒5000千米。从它运动的方式可以推断出中心天体的质量。这一质量是如此巨大而又局限在如此狭小的体积内，除了黑洞，别无可能。
星系在旋转。太阳大约要用2。25亿年转完一周。这一周期通常叫做宇宙年。在一个宇宙年前，地球上最高级的生命形式是两栖动物，甚至恐龙都还没有出现。设想一下一个宇宙年之后的地球是什么样子将是十分有趣的。我们在离星系主平面不远处运动，并刚刚离开其中一条旋臂猎户臂。所以我们现在位于一个相对空旷的区域。
旋涡星系
许多星系是螺旋状的，除了唯一一个令人困惑的反例之外，所有的旋臂都由于星系的旋转而呈现拖尾状。现在认为旋臂是由回荡在系统内的压力波造成的，里面的某些区域里星际物质的密度比平均值要高，这将引发恒星的形成。最容易看到的恒星质量很大，以宇宙学的标准来看，在它最终爆炸成超新星前的寿命是较短的。但它们明亮的光芒使得旋臂变得明显。当压力波扫过后，激烈的恒星形成过程停顿了，这个旋臂变得不那么突出。而扫荡的压力波又会造就一条新的旋臂。如果这种图景是正确的，那么在几千万年的时间里，我们的银河系仍会有旋臂，只是这些旋臂是由另外的恒星构成的。
支配星系旋臂的物理学规律可用一个日常的问题来类比，就是交通拥堵。想象一下M25伦敦的环路上的交通，所有汽车都以几乎相同的速度前进，但是如果道路较挤，一辆车稍微减速就会让它后面的车排起队来。这正是聚集在环绕星系核心的旋臂上的气体或尘埃的情况。每辆具体的汽车只会在有限的时段里成为拥堵的一员，而之后仍会在环路上继续前行。但拥堵会持续下去，只是换成了后面跟上来的车辆。
通过多普勒效应，我们已经测量出很多星系的旋转。如果一个旋涡星系正在旋转，那么在一侧的所有物质将朝向我们运动，而另一侧的所有物质将远离我们（当然要排除星系自身的整体运动）。这种运动将表现在谱线的位置上，所以可以据此测量出旋转的速率。而星系旋转的一个奇怪的特征还具有更深刻的意义。
神秘的暗物质
在我们太阳系中，行星绕日公转的速度随着它们到太阳距离的增加而减少，因为离太阳越远，引力越弱。顺理成章地，同样的规律也应该体现在旋转的星系上。靠近中心的星的运动应该比远离中心的星的运动快得多。然而天文学家惊奇地发现，不是这么回事。远处恒星的宇宙年比预计的要短，所以旋臂不会很快地卷绕起来。星系的情况似乎介于太阳系和一个刚体之间。刚体的情况像一个旋转的自行车轮子，在车轴附近的一块泥点的移动比在车圈上的移动慢得多，但两者用同样的时间走完一周。
如果星系里的恒星像行星环绕太阳那样简单地围绕着一个中心质量旋转，就无法解释这种奇怪的现象。唯一可能的答案是这个系统的质量并不是集中在中心或中心附近，而是分布在整个星系盘和星系的外侧。最有可能的解释是存在分布在整个星系晕内的暗物质。暗物质完全不可见，只有万有引力才能泄露它们的所在。
暗物质是否就是普通的物质？比如大量非常暗弱的低质量恒星，除非它们按照宇宙标准来看聚集得很近，否则我们将无法看到。当然恒星的数量是很多的，最新的估计是在可视宇宙中恒星的总数达到7×1022个，但似乎它们的总质量也无法与暗物质总量相匹配。
这些质量是否有可能被禁锢在黑洞中了？我们可以计算现已掌握的这类质量，发现还是远远对不上。史蒂芬·霍金曾预言存在地球质量级别的黑洞，但还从未发现过。曾经看起来更有希望的一种方案涉及中微子没有电荷的快速粒子；不易检测但数量极其丰富，在驱动恒星的反应中大量产生。每秒钟有数千个中微子穿过我们的身体，如果中微子具有一点质量，那么就可以为暗物质提供一种解释。与几年前相比，现在我们对此有了更深入的了解：尽管中微子不是完全没有质量，但它的质量远不够解决这一问题。
我们还剩下两种选择。一是暗物质可能是由现在还未知的基本粒子构成，每个质量很小，但数量足够多，可以解释这种差异。这种假设的粒子叫做弱相互作用重粒子，即WIMP。而粒子物理学已经对它们应该是什么样子给出了具体的预言。另一种解释是暗物质由普通物质构成，以暗弱而大质量天体的形式存在，例如行星，或棕矮星一类的小恒星。对这类称为大质量致密晕族天体，即MACHO的探测已经在进行，据信它们潜伏在大质量星系的星系晕中。探测已经取得了一些积极的结果，现在我们在等待发现一个经过的WIMP。然而事情并未就此完结。
为什么有暗能量
根据最新的估计，可视宇宙即我们可以看到的所有的东西：星系，恒星，行星等仅占宇宙中能量的4％，另有23％是以暗物质的形式存在。而剩余的73％要归于所谓的“暗能量”。
直到宇宙史上的这个阶段大爆炸后约70亿年时，在引力的影响下膨胀变慢了。引力是唯一能在天文距离上造成显着差别的力，而且这是一种将物质拉到一起的吸引力。我们或许可以预料，引力的强度将决定宇宙的终极命运。
在我们讨论的这个时代，宇宙在膨胀。而且直到今天它仍在膨胀。但是这个膨胀会永远持续下去吗？还是说在至少800亿年后星系会掉转头来再次冲到一起形成一次大坍塌？所有这些都取决于宇宙中物质的平均密度，用希腊字母 表示。如果 大于1，引力占据上风，在时间终结之时会有一次大坍塌；如果 等于1，那么膨胀会逐渐减慢但永远不会完全停止，这被称为一个平坦的宇宙。如果 低于这个临界值，膨胀将变慢，但将一直持续下去。在讨论暴胀时说过，我们掌握的证据似乎说明宇宙是平坦的。但是对一种特殊类型的超新星：Ia型超新星的观测提醒我们，事情可能复杂得多。
让我们通过这些超新星回顾一下位于大爆炸和今天的中间点的关键时代。为什么这种类型的爆炸如此特别？因为这些爆炸的极大光度即内禀亮度都是相同的，所以可以作为标准烛光使用，让我们能够测量距离。我们将超新星爆炸时在天空中的视亮度和它的内禀亮度相比较，其差值就表示距离有多远。看起来更亮的超新星一定是距离我们更近。
为什么这些超新星都具有相同的内禀亮度？据认为这类超新星产生于一颗普通恒星的白矮星伴星的彻底毁灭。较小而致密的矮星从它的较大的伙伴那里吸积了过多的物质，最终它自身变得不稳定。这颗矮星在一次巨大的热核爆炸中把自己炸成了碎片。由于这种爆炸总是发生在同样的临界质量下，爆炸的光度在每种情况下都是一样的。
我们有两种方法计算包含超新星的星系的距离：通过谱线的红移和超新星的峰值光度。但在什么地方出了问题，使得超新星看上去比它们本应具有的亮度要暗，所以似乎比预计的遥远。这也正是天文学家们期待的最后一件事情。只有一种可能的解释，现在宇宙膨胀的速度一定比以前要快。宇宙的膨胀正在加速而非减速，这种使宇宙膨胀加速的能量我们称之为暗能量。
第五种力
这是怎么回事？在整个物理学史上，有四种力被认为是足以解释物质之间的所有可能的相互作用：电磁力（造成异性电荷之间的吸引力）、强核力（将原子核约束在一起）、弱核力（造成放射性衰变）和引力（在整个宇宙范围内起作用的吸引力）。引力是四种力中最弱的，但在天文学家们关心的领域里它是最重要的。因为这是唯一在很远的距离上仍起作用的力（虽然电磁力也能产生长程作用，但因为物质平均起来是电中性的，所以这种力被抵消了）。而一个加速中的宇宙需要一种先前未曾显示出效应的第五种力。
对于起这种作用的力已经有了许多理论性的假设，基本上大多数都是才一提出即遭抛弃。它把我们带入了奇异的真空力和虚粒子的世界。我们自然而然地把真空想象成不存在任何物质的地方，但是量子物理学告诉我们，这种想法过于简单了。任何真空都充满了沸腾起伏的大量的“虚粒子”。它们总是以粒子和反粒子的形式成对出现。这些带有相反电荷的虚粒子在互相碰撞湮灭之前只能存在不到10…43秒的短暂时间。这一过程可以描述为真空首先借来用以产生粒子的能量，然后在宇宙的其他部分觉察到之前，通过湮灭将能量返还。但在虚粒子短暂的存在期内对其周围却会产生影响。实际上在实验室中发现在某些情况下它们会产生斥力。这可能正是我们寻找的东西。而且，真空的体积越大，力就越强。所以我们预计随着宇宙的膨胀力会变大恰如我们观测到的。
宇宙剪切
暗能量存在的进一步证据来自意想不