現在，宇宙中這些物質每一種的豐度（豐富程度），提供了宇宙創生大爆炸模型的過硬的證明。科學家們能設法估計空間內存在有多少氫，并將此數量與氦的數量比較。他們發現，此比值與理論所預見的每一個氦原子相應有12個氫原子符合得很好。迄今為止，用此比例檢驗大爆炸圖像的效果一直非常好。

1995年，在大爆炸瞬間產生的氦被首次檢測到。約翰·霍普金斯大學的天體物理學家戴維森克里斯和鄭煒，用在“奮進號”航天飛機上的紫外望遠鏡對來自類星體的光線做詳細的搜索。他們觀察此輻射的目的，在于尋找該光線被星系際氦吸收的證據。探索的結果，確實找到了表明整個宇宙中存在著大量氦的特征吸收譜線（波長的圖式表示被氦捕獲的輻射）。他們發現，在所探尋的空間區域中的氦的含量，正好與標準宇宙模型所預見的12：1的氫與氦之比一致。

比鋰核重的原子核不能在大爆炸中被制造出來，這是因為當鋰在形成時，宇宙冷卻得過多，更重元素的聚合是不可能的。所有較重元素要在晚得多的時候，在恒星的核心中激烈的高溫熔爐里鍛造生成。

下一個宇宙演化的重要階段是復合時期。在此時期內，宇宙中大多數帶正電的離子（原子核）收集足夠的帶負電的電子而形成不帶電的中性原子。在這一過程中，大量的輻射被釋放出來。這種情況的發生是由于光子傾向于粘牢帶電離子和自由電子，圍繞著它們之間跳躍。一旦離子成為中性原子，電子被鎖定在緊緊的軌道上繞原子核運動，光子便能在空間自由地傳播了。

從此時開始，宇宙沉浸在背景輻射的海洋中，起先，此輻射是熱的，但隨著宇宙的膨脹，其溫度下降得很快。今天，此原初能量，已冷卻到了絕對零度以上2.735開，繼續充斥在宇宙中作為大爆炸時期的一個最后保留下來的殘跡。

科學家們有正當理由相信上文所描述的這些事件是發生過的。但所不清楚的是，這些原初現象是多長時間以前發生的。宇宙年齡問題是現代宇宙學中的一個最有爭議的問題。

4.難以預測的宇宙最終命運

從彭齊亞斯和威爾遜的發現開始，20世紀最后的30多年是宇宙學發展史上獲得輝煌成就的年代。我們已能探測到更遙遠的空間和回溯到更古老的年代，這是幾十年前，任何年代都難以想象所能達到的時空領域。我們確實已站立在比以前任何年代都能獲得更深奧、更豐富的宇宙知識的門檻上了。

由于科學家們多年來的不懈努力，對于宇宙深處的真實情況我們已經知道了不少。首先，我們已知道宇宙曾經有一個時刻非常之熱并且是難以想像的小。其次，當宇宙很年輕時，我們推測它是均勻的，或者是不知何故，任何一個大的不規則在暴脹時期被平滑掉了。但不管整個宇宙如何地勻稱，其中一定點綴著星系祖先的微小種子。

在過去年代的某一時刻，簡單的原子形成了，宇宙輻射能自由地在空間傳播（最終，這種輻射的圖像被彭齊亞斯、威爾遜、施穆特和其他一些人繪制了出來），新產生出來的原子及時地聚集在宇宙的較密區域——可能是充滿大質量暗物質的區域，熱物質的巨云凝聚成星系、星系團及超星系團——宇宙結構形成了，與此同時，更大的宇宙結構，如宇宙氣泡、纖維和空洞以及突出的宇宙長城開始成形。當宇宙不斷地膨脹時，這些天體也一直不斷地相距越來越遠，而背景輻射也越來越冷。

很快，恒星星系中誕生第一代恒星——星族Ⅱ恒星——主要是由氫氣形成的。當它們死亡時，常出現兇猛的爆發，從它們的灰燼中誕生出較年輕的星族Ⅰ恒星。其中的一些形成了行星系統。一部分行星系統支持智慧生命的繁衍。這些行星中的一個叫作地球。

科學家們有正當理由自信上面敘述的這些事件中的大多數確實發生過。基于30多年來天文學家和物理學家搜集到的證據，特別是關于宇宙微波背景的信息以及關于今天已知基本粒子數的數據，可以說對宇宙創生大爆炸的情景已有相當多的了解。

但是，天文學家認為，在他們了解宇宙起源的同時，對于宇宙今后的命運他們還難以捉摸。宇宙是開放的、閉合的還是平直的（這些是在前面討論弗里德曼模型時所揭示出來的三種可能性）？換句話說，宇宙將一直膨脹下去呢，還是膨脹片刻然后在某一天又開始收縮，還是總在以上兩種情形之間搖擺？

如果宇宙是開放的或平直的，其最終的命運將是一個絕對寂靜的結局。漸漸地，隨著宇宙不斷地膨脹，越來越多的恒星將耗盡它們的核燃料而成為白矮星、中子星及黑洞。白矮星最終將完全燃盡成為一個死寂的叫黑矮星的天體。最后，隨著最后一批發光恒星的死亡和通過霍金輻射的黑洞蒸發，空間沒有了可用的能量，沒有了恒星能源的驅動力或來自任何其他燃料泉源的能量。所有的物理過程都到了完全停止的時刻，這一最后狀態，叫作熱寂，將構成時間本身的終結。

如果宇宙是閉合的，則是另一番景象，其蒼白的年代將更具戲劇性。在未來的某一時刻，哈勃膨脹將停止，轉而成為普遍收縮。當空間本身向里收縮時，天空所有的星系都將逆轉它們的行程，轉為互相接近。最后，在一個極相似于時間反轉的大爆炸事件中，宇宙將聚縮為一個奇異性的大小為數學點的區域。

理論工作者已經證明這幾種不同的可能性可由參數Ω來描繪。這一參數表示宇宙中之質量相對于宇宙重行坍縮所需的臨界質量之比。目前，天文學家有好幾種測定Ω之值的方法。

方法之一是估計宇宙中的發光物質和暗物質各有多少。研究人員已確知單靠發光物質是不足以使宇宙閉合的。其次，根據現在對暗物質的發現，存在于空間中的暗物質的量也不能滿足平直的或閉合的宇宙的需要。這些結果導致宇宙是開放的結論。

但從這些考慮便得出宇宙最終命運的結論仍為時過早。第一，對不發光物質的研究尚在起步階段，而且天文學家正在用已收集到的新數據對暗物質的性質和數量的估計進行修正。今后，每重新評估一次，對暗物質的質量估計便會前進一步。

況且，這種計算Ω之值的方法有賴于宇宙臨界質量的精確測定。雖然感到遺憾的是，臨界質量參數是哈勃常數的函數。因為天文學家尚未確定哈勃常數，臨界質量是多少也難以肯定。

為了排除這些障礙，一個由加利福尼亞大學伯克利分校的珀爾特、彭尼柏克和戈德哈伯領導的英一美國科學家小組，將另辟蹊徑尋找Ω之值。他們尋找的是一個與Ω有關的常數，叫減速因子的數值。該因子的定義為宇宙膨脹速度隨時間而變化的變化率。對于一個弗里德曼宇宙來說，該因子之值正好等于Ω的一半。因此，減速因子之值小于1/2、等于1/2和大于1/2，分別表示宇宙是開放的、平直的和閉合的。

英一美小組的測試方法，包括應用位于非洲西北海岸加那利島上的聚光本領較強的、以牛頓的姓名命名的望遠鏡來測量遙遠超新星爆發時的紅移和距離。他們研究的超新星相當地遙遠，其光線到達地球要經過幾十億年。因此，這類天體體現宇宙歷史的較早時期——一個可假定為不同于今天的哈勃膨脹的時期。英一美小組希望能記錄下這一差異，計算出減速因子，然后用此值去預測宇宙命運。

當代天文學家們時常發現他們自己陷進稀奇佯謬的網中，他們按照廣義相對論分析宇宙所含物質的分布情形來預測宇宙的命運。但是為了要明白這些物質是如何分布的，他們又時常做出關于宇宙長期行為的一些假設——它是開放的、閉合的、還是平直的。例如，暴脹學說認為今日的宇宙是平直的。

為了擺脫這一困境，研究人員學會更虛懷若谷地對待宇宙的形狀和結構問題——避開所有關于大爆炸性質的不必要的假設。許多人轉變到宇宙的“設計者模型”，該模型把目前對宇宙年齡的估計、結構的等級式和物質分布三者沒有矛盾地結合起來。這些新奇的學說特別適合于調和現在知道的宇宙學的數據。但這些學說時常偏離弗里德曼模型，潛藏著不尋常的特色，如愛因斯坦拋棄掉的宇宙常數項。只有將來的實驗，才能說明這種從根本上的離開弗里德曼模型是否是必要的。

現在，的確是一個研究宇宙結構的激動人心的時代。一方面，近年來在對恒星、星系和其他天體的研究方面取得了長足的進展，好像HST差不多每幾個星期都有新的發現。另一方面，像年齡問題、暗物質的窘境、大吸引體之謎和宇宙的命運等等問題使得一般自信的科學家們感到困惑。對宇宙越熟悉，就覺得它越古怪。這就足以使你希望抓住一臺望遠鏡，步入夜空，親自去看看宇宙在發生些什么事情。

三、關于黑洞的探索

20世紀初，丹麥人赫茲普隆和美國人羅素根據恒星的光學譜和亮度，把觀察到的恒星排列在一張圖上。這種圖被稱為赫羅圖。50年代以來，天文學家們以赫羅圖為基礎，認為恒星一生經歷了星云、星胚、主序星、紅巨星等演化過程，最后，紅巨星變成“鐵心”的天體。如果一個恒星鐵核的質量小于1.44個太陽，它將最終變為白矮星；如果恒星鐵核在1.44—2.0個太陽質量之間，最后變成中子星；如果恒星鐵核質量在2個太陽以上，最后成為黑洞。

根據奧本海默在1939年的說法，大質量天體坍縮到某一臨界體積時，會形成一個封閉的邊界，強大的引力使界外的物質和輻射只能進入，不能逸出，消失在黑暗中，這便是所謂黑洞。黑洞的理論是優美的，但我們目前還無法觀察到孤獨的黑洞。對黑洞的認識，可能會給人類的物質觀、運動觀帶來巨大的變革。有人認為，黑洞中可能既沒有空間，也沒有時間，那里存在時空隧道，是進行星際飛行的走廊。

黑洞，是人們對宇宙空間一個區域的形象稱呼。如果宇宙中確實存在黑洞的話，那才是名副其實的黑洞，不但物體掉進去會消失得無影無蹤，而且就連光也休想從那里逃逸出來，就像一個饑餓的無底洞，永遠也填不飽。因此有人又稱它為“星墳”。

追溯起來，黑洞概念并不是新的，法國著名的數學家拉普拉斯早在1789年就已經預言過了。他認為，假如有一個天體，它的密度或質量達到一定的限度，我們就會看不到它了。因為光沒有能力逃離開它的表面，也就是說，光無法到達我們這里。不過黑洞引起科學家普遍關注的，還是在愛因斯坦廣義相對論公布之后。人們根據愛因斯坦的理論，就黑洞存在的條件及形成原因等問題進行了探索。直到1965年測到的一束來自白天鵝星座的X射線，才真正打開了人們探測黑洞的大門。這一奇特的天體，被當時的天文學家命名為“天鵝座1”。經研究證實這是一個明亮的藍色星體，它還有一顆看不見的伴星，質量要比太陽大20倍。又過了幾年，科學家根據“天鵝座1”發射出來的強射線，找到了編號為HDE226868的星體，它就是X射線的射線源。這是一個巨大無比的星體，質量為太陽的30倍，它圍繞另一顆星高速運轉。后經研究認為，X射線不是從HDE226868上發射的，而是由繞它運行的伴星上發射的，通過計算，這顆伴星質量是太陽的8倍，但看不到它的位置。到目前為止，這是黑洞最理想的候選者。

時至今日，雖然黑洞還沒有被真正捕捉到，但人們對黑洞的存在卻是確信無疑的，也許一些星團的中心就是黑洞，大概銀河系中心就是一個大質量的黑洞。除了大黑洞之外，很可能還存在比小行星還要小的黑洞。甚至還有人認為地球上也存在黑洞。這些還都屬于假說，總有一天，人們會揭開黑洞的神秘面紗。

1.天上饕餮：吞噬一切的黑洞

在人類社會中，有些人過著隱士般的生活，喜歡獨居，希望別人不要過多地探詢有關他們的事情。

宇宙中也有這樣的隱居者。黑洞——天空中大多數大質量恒星的最終演化產物，一個超致密天體——就是宇宙中的神秘隱士。這些宇宙隱士被保護在秘密掩體內，有關它們的信息一點都透露不出來。

“黑洞”這個名詞是普林斯頓大學的物理學家惠勒在1968年發表的一篇題為《我們的宇宙，已知的和未知的》的文章中首先提出來的。惠勒不愿意用“引力坍縮物體”這樣的名詞，希望創造一個較簡潔、概括性好的詞匯，他認為“黑洞”一詞響亮，有號召力。

黑洞是在一特殊的大質量超巨星坍縮時產生的。黑洞產生的過程類似于中子星產生的過程：位于恒星中心的鐵核在自身重量的作用下迅速地收縮，發生強力爆炸。在中子星情況下，當核心中所有的物質都變成中子時坍縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星球。但在黑洞情況下，由于恒星核心的質量大到使坍縮過程無休止地進行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想像的物質。

在如此密實的黑洞中隱匿著巨大的引力場，這種引力大到使任何東西，包括光，都不能從黑洞逃逸出去。這就是這種物體被稱作“黑洞”的緣故。黑洞不讓在其邊界以內的任何事物被外界看見。