物理世界奇遇记7

黑洞、热沉默和喷灯

“我想它一定在这里！”汤普金斯先生看着马德给他的匆忙绘制的地图，喃喃自语。大门上没有标志证明这确实是诺尔顿庄园。他能在车道的尽头看到一个非常大的。覆盖着绿色藤蔓的庄园住宅。这和他最初想象的不一样，但他认为最好问一下。同时，他认出了莫特，他正蹲在花坛旁边除草。他们亲切地互相问候。

“你在这里买的房地产太大了，”他赞赏地说。“我没想到画家会赚这么多。你不觉得阁楼太冷了，不利于你的艺术创作吗？”

起初，她似乎有点迷惑，然后突然放声大笑。“这一切都属于我吗？”她喊道，“我希望是这样。但是不，它已经被撕裂了——自从诺尔顿一家离开这里。现在它被分成几个单元。这是我得到的一小部分。”她指着一栋刚刚扩建的小房子。"请进去，不要拘束。"

当他们在等水壶烧开的时候，她带着他快速穿过她那间布置舒适的小房子，然后坐在客厅的沙发上，品尝咖啡和饼干。

"那么，你觉得昨晚的歌剧怎么样？"她问道。

“啊，这很有趣，”他说，“当然，我还没有理解它的全部含义。然而，我非常喜欢它。谢谢你建议我去看它。只有一件事……”

“这是什么？”

“没什么大不了的。只有当我回到家，我才不由自主地对静止理论的发生感到惊讶。这似乎是一个合理的理论。”

“别让我爸爸听到你这么说。”她笑着说，“我不知道花了多长时间说服他上演这部歌剧。他不想让学生们感到困惑。关于科学必须以实验为基础——而不是美学，他编了一大套歌曲和舞蹈。不管一个理论对你有多有吸引力，只要实验结果与它相反，你就必须抛弃它。”

"反对平稳理论的证据真的像你前几天说的那样有力吗？"

他问道。

“是的，”她回答道，“所有的证据都压倒性地支持大爆炸理论:首先，我们知道宇宙随着时间的推移发生了变化——我们可以看到它已经发生了变化。”

汤普金斯先生皱着眉头问道，“我们看到了吗？”

“是的。你应该记住光速是有限的。光从遥远的天体到达我们这里需要一些时间。当你探索遥远空间的深处时，你也在探索遥远时间的过去。例如，”她说，看着窗外。“太阳的光到达我们这里需要8分钟。也就是说，我们现在看到的阳光是8分钟前的样子，而不是现在。对于更遥远的天体也是如此，比如仙女座星系。你一定看过那个星系的照片。你可以在各种天文学书籍中找到它们。那个星系离我们大约100万光年，所以这些照片显示了它在100万年前的样子。”

“你想解释什么？”

“我想解释的问题是，”她继续说道，“马丁·赖尔发现，他对空间深处的探索越深，换句话说，他对过去时间的回顾越深，给定体积中存在的星系就越多。如果宇宙确实随着时间的推移而变得松散，那么这正是我们应该期待的——宇宙在过去比现在密度更大。”

“他们在昨天的歌剧结尾提到了这一点，对吗？”汤普金斯先生问道。

“没错。不仅如此，我们现在知道，随着时间的推移，甚至星系本身的性质也发生了变化。曾经有一段时间，大爆炸后星系刚刚形成，它们燃烧的光比今天亮得多。当它们处于这种状态时，我们称它们为类星体。类星体只出现在非常遥远的地方，这意味着它们只存在于非常遥远的过去，而不存在于现在——这也与宇宙将保持不变的观点相反。

"嗯，我开始被你说服了."他承认了。

“不过，我还没说完，”她坚持道，“让我们以原始的核丰度为例……”

“那是什么？”

“这是大爆炸中不同粒子的比例。你知道，在大爆炸的早期，一切都非常热，一切都*而迅速地移动，相互撞击。在那个阶段，宇宙中的一切都是亚原子粒子(中子和质子)、电子和其他基本粒子。你找不到任何重原子的原子核。很快，中子和质子聚合形成了第一个原子核，但在接下来的一系列碰撞中，它被撞得四分五裂并被摧毁。后来，随着宇宙的膨胀和冷却。与过去相比，碰撞已经变得不那么频繁和暴力了。只有到这个时候，新形成的原子核才能继续存在。所以，我们有了这个原始的核合成——这是物理学家给它起的名字。

然而，原子核吸收越来越多的中子和质子形成越来越大的原子核的过程不能无限期地进行下去她继续说道，“这是一场与时间的竞赛。随着时间的推移，温度一直在下降。这意味着温度最终会降到如此低的水平，以至于核粒子所拥有的能量太小，无法使它们再融合。不仅如此，随着宇宙继续膨胀，密度也在下降，碰撞的次数也越来越少。上述原因结合的结果是达到了核反应不再发生的点，然后重核的混合物不再改变。这种混合物被称为冷冻混合物。当然，正是这种原子核的混合物决定了最终可以形成的不同原子的比例。

“现在有一件非常有意义的事情，”她总结道。“如果你知道今天宇宙中物质的密度，你就可以计算出物质密度在过去任何阶段的值。他说，具体来说，你可以计算出在初级核合成阶段物质密度的值。这反过来意味着你可以从理论上计算出冷冻混合物应该是什么样子。计算结果表明，冷冻混合物中77%的质量以氢(最轻的元素)的形式存在，23%是氦(次轻的元素)，只有极少量的较重的原子核。这正是今天在研究星际气体的原子丰度时观察到的情况。”

“好吧，你赢了！”汤普金斯先生接受了她的说法，“大爆炸理论赢了！”

“但我还没有告诉你最有说服力的证据。”马德补充说，她变得越来越兴奋。

“你开始听起来像你父亲了。”

她没有理会他的评论，继续说道，“那是宇宙微波背景辐射。你知道，由于大爆炸的温度极高，必然会有一个火球伴随着它，就像原子弹耀眼的闪光一样。现在的问题是:大爆炸的辐射现在在哪里？它一定还在宇宙的某个地方，因为没有其他地方可以容纳它。当然，它一定不再是那耀眼的光，现在它一定已经冷却了。在这个阶段，它的波长应该在微波范围内。事实上，加莫夫(你记得他昨晚在歌剧中出现过吗？)一旦计算得很好，它的光谱应该对应于7K区域附近的某个温度。他是对的，到目前为止，火球的残骸已经被发现了:1965年，两名通讯科学家penzias和Wilsun发现了那次辐射留下的纯粹是偶然的。它的温度是2.73 K，这当然非常接近伽莫夫早期的计算。”

汤普金斯先生什么也没说。他陷入了沉思。心情很好奇

看看他。

“怎么了？”她问，“你确信吗？”

汤普金斯先生摆脱了他的苦思冥想。“是的，是的，太棒了，真的太棒了。谢谢你！然而……”

“但是什么？”

“嗯，我说过，我只是在脑海里画了这样一幅画，有氢、氦、电子和来自大爆炸的辐射，另外，什么都没有。那么，我们的世界是如何形成的呢？太阳和地球从哪里来？你和我怎么了——我们不仅仅是由氢和氦组成的，是吗？”

“你问的是120亿年的历史！你给我多少时间回答？”

“三分钟够了吗？”汤普金斯先生满怀希望地问道。

她笑了。“那让我试试！你准备好了吗？”

“等一下，”他看着手表说。“好吧，继续！”

“听着，在大爆炸后的几分钟里，我们只有氢和氦的原子核和电子。再过300，000年，一切都会冷却下来，温度会足够低，然后电子会包围原子核，然后我们会有第一个原子。现在，整个空间充满了一种气体。这种气体的密度非常均匀。然而，也有一些极小的不均匀性——密度在某些地方略高于平均密度，在其他地方略低于平均密度。结果，由于更大的引力，气体开始在密度更大的地方聚集。它们收集的气体越多，它们的重力就越强，因此从它们周围吸入的气体就越多。结果，将会形成一些独立的气体云。此时，每个气体云中都会形成小旋涡。这些涡流会相互挤压，导致温度上升(这在日常生活中很常见:当你将某种气体压入较小的体积时，它的温度会上升)。最后，温度变得非常高，这触发了核聚变过程——于是恒星诞生了。结果，大约十亿年后，星系出现了(事实上，星系可能以两种方式形成:一种是形成星系云，然后将其分裂成许多恒星；另一种是先形成恒星，然后恒星聚集在一起形成星系。没有人真正知道它是哪一个。然而，不管这个或那个，恒星终究是形成的，并依靠核聚变获得能量。它们不仅释放能量，还逐渐积累较重的原子核，这些原子核是后来形成地球和我们身体所必需的物质。然后，星星上的核火终于烧光了燃料。对于像太阳这样的中等大小的恒星来说，这个过程需要大约100亿年。这种恒星在老年时会膨胀，变成所谓的红巨星，然后收缩，变成白矮星，最后慢慢凝固成非常冷的岩石。更大的恒星将以更特殊的方式结束它们的生命——随着一声巨响，一切都结束了。这是超新星爆炸。正是这次爆炸喷出了一些新合成的核物质，即重核。它们现在与星际气体混合，可以聚集形成第二代恒星和像地球一样的第一批岩石行星(当然，当第一代恒星诞生时，将不会有行星)。然后，这些行星中的一个，地球，通过自然选择进化，最终将它表面的化学物质转化为你和我。这就是我们是如何由星际尘埃构成的！”

马德突然停了下来。“好了，我不干了！花了多长时间？”

汤普金斯先生微笑着说，“不多，只花了两分钟……”

“太好了！”“这意味着我还有一分钟时间来谈论黑洞，”马德宣称。

“黑洞？”

“是的，一个黑洞。这是爆炸后最重的恒星留下的。正如我刚才所说的，这颗恒星会喷射出一些物质，但其余的会坍缩形成一个黑洞。”

“黑洞到底是什么？”汤普金斯先生问道，“当然，我听说过这个名词……”

“黑洞是当重力强大到任何物体都无法逃脱其引力时所看到的东西。那时，恒星的所有物质都崩溃到一个程度。”

“一点点！”汤普金斯先生哭了。“这就是你真正的意思——真正的观点吗？”

“完全正确。它没有音量。”这是她的答案，“这一点集中了所有的物质，它的周围是一个非常强大的引力场。这个引力场是如此强大，以至于无论它是什么，一旦它进入它的作用范围(所谓的视界)，它就再也无法逃离它——甚至是光。这就是为什么它被称为黑洞。任何进入视界的物体都会立即被吸引到中心点。”

“真奇怪！”汤普金斯先生低声对他说，“但是黑洞的另一边有什么？”

“在侧面后面？谁知道呢？那边一定什么都没有。所有落入黑洞的东西都停留在它的中心。哦，顺便说一句，有些人已经做了一些推测，这些东西可能会流过某种连接我们的宇宙和其他宇宙的隧道，然后在那个宇宙中以“白洞”的形式爆发。然而，这都是纯粹的猜测。”

“你确定有黑洞吗？”

“是的。证据非常有说服力。不仅有坍塌的旧恒星形成的黑洞，而且在星系中心也有黑洞——可能吞噬了数百万颗恒星。质量巨大的黑洞。”

汤普金斯先生带着钦佩的微笑看着Mudd。

“你为什么这样看着我？”她好奇地问道。

“没什么。我只是觉得奇怪，你是怎么知道这一切的？”

她谦虚地耸耸肩。“别问了，我想大部分都是在那里学的。”她朝着一个满是科普杂志的书架点点头。

“还有最后一个问题，爱因斯坦小姐，”他问道。“这一切将如何结束？未来宇宙会发生什么？你父亲说宇宙会继续膨胀，但是它的膨胀速度会逐渐减慢，并且在遥远的将来会停止膨胀。”

“他是对的——如果膨胀理论是正确的，宇宙中物质的密度有一个临界值。到那时，所有的核燃料都已用尽，所有的恒星都已死亡，许多恒星将被吸进它们星系中心的黑洞，宇宙将变得寒冷而无生命。科学家称这种状态为宇宙的热沉默。”

汤普金斯先生感到毛骨悚然。"我肯定我不喜欢听到这样的事情。"

“对不起，我不知道你会害怕。我真的不应该让它让你难过。”她高兴地回答，“在那之前，我们已经被埋在黄土里了。无论如何，我们不会再谈论它了。我们换个话题吧！”

“好吧，对不起。你觉得我怎么样？”

“很好，你已经尽力了，”她安慰他。“下周我可能帮不了你。”

“下周？下周有什么事吗？”

“我爸爸说他的下一次演讲将介绍量子理论。是这样吗？”

“是的，我还记得。”

“然而，我从来没有吃过量子理论。因此，我只能对你说:祝你好运！然而，现在是谈论我的艺术的时候了。你真的想看吗？”

“你的工作？我当然想看。”他回答说，“你把它们藏在哪里了？你的工作室离这里远吗？”

“很远吗？不，是穿过前院。我用了这里一个废弃的旧仓库。这就是为什么我立刻选择了诺尔顿庄园。我想要的不是房子，而是仓库。”

马德的工作室非常有趣。汤普金斯先生从未见过这样的东西。她的作品(你不能称之为油画)非常特别。虽然它们也有框架，可以挂在墙上，但它们是由各种材料制成的。其中有木材、塑料、金属管、石块、鹅卵石、外国铁锅等。这些不同的品种被她小心地粘在一起，形成美丽动人的艺术拼贴画。

“它们太棒了，”他大声说道，“我从未见过它们。这太神奇了。你听我说，”然后，他有点犹豫，“我不敢说我理解他们——不是真正理解他们。然而，我非常喜欢它们。”他加强了语气，接着说道。

她笑了，“你知道，它们不是物理理论。它们放在这里不是为了让你理解它们。你应该做的是去感受它们。”

他站在一件作品前，静静地看了一会儿，然后鼓起勇气说:“你必须和它发展双向关系——互动。只有当观察者在作品中加入他自己的东西，也就是说，用他自己的一些感觉来观察它，作品才是完美的。你是这个意思吗？”

她不置可否地耸耸肩。"这是我的最新作品。"她指着他正在看的作品说，“你从中看到了什么？”

“在里面吗？这是一个海滩，有些东西被海水冲到了海滩上。这些东西过时了，也变形了。每个事物都有自己的历史和故事，但现在它们在同一时间聚集在同一个空间。”

她深情地看着他。这是一种他以前没有注意到的眼睛，所以他立刻感到相当愚蠢。

“对不起，我的确说了一些废话。也许是因为展出的大多数目录已经被阅读了。在城市工作的一个优势是有机会在午休时间参观各种艺术画廊和展览。”他解释道，“我热爱艺术——至少是艺术的一部分。我想尽最大努力不落后。”

她又笑了。

“告诉我，”他继续说道，“你是怎么得到这种低薪效应的？看起来它是从火中救出来的。”他指着一块嵌在塑料里的木头，看起来有点烧焦了。

她调皮地看了他一眼。“如果你想知道，我可以告诉你——但你必须小心。”

说到这里，她划了一根火柴，点燃了她旁边桌子上的喷灯，然后拿起它，让火焰照在照片上。它的木头部分很快就变红了。工作室立刻充满了烟雾。当汤普金斯有点惊慌地撤退时，他找到了门。他打开门，让烟散开，然后欣喜若狂地往里看。他看到了马德的脸——一张全神贯注的脸，和照片中的人一样美丽。这时，他意识到自己坠入了爱河。我爱上了马德。

乔治·加莫夫