黑洞漫谈之静态中性黑洞
利用牛顿理论可知，当逃逸速度达到光速时，光也无法从星球表面射出，这就是牛顿黑洞。光的波动说战胜微粒说后，牛顿黑洞被人们淡忘了，因为波是不受引力影响的。有趣的是，从广义相对论计算出的黑洞条件与牛顿理论计算出的完全相同，从现代眼光看，牛顿理论的推导犯了两个错误：(1)将光子动能MC^2写成了(1/2)MC^2，(2)把时空弯曲当成了万有引力。两个错误相互抵消却得到了正确的结论。因此静态中性黑洞的视界半径与牛顿黑洞的半径完全相同。视界就是(在经典范围内，相对论属于经典物理)任何物质都无法逃离的边界。
我们说的黑洞大小是指它的视界大小，黑洞内部其实基本空无一物，只有一个奇点。这个点的体积无穷小，密度无穷大，所有的物质都被压缩到这个点里。先前我们说过，奇点可能不存在，我们把它当很小的点就可以了。我们来看黑洞吞噬物质的场面：假设两艘飞船里分别有两个人A和B，A远离黑洞，B被黑洞吸引。在B看来，它不断的接近黑洞，不断的加速，以接近光速的速度穿过视界，又以极短的时间撞向中心奇点，被压的粉身碎骨，连原子核都被压碎。在A看来，他看不到B的真实过程，他看到B先加速后减速最后停在视界处，逐渐变暗，最终消失。A看到的只是B的飞船上外壳发出的光的行为，B的真实部分早在A不知不觉中撞向了中心奇点。之所以会有减速过程是因为接近黑洞处时间膨胀，使A看到的速度变慢甚至接近零了。A看到的光停在视界上并不与光速不变原理相矛盾，光速不变原理指的是在四维时空中，光走过的四维距离是零。当时空平直时，三维光速是个常数。时空弯曲时，三维空间中光会偏折。在视界处，时空极度弯曲，无穷远处的观察者看到的光速是零。但在视界附近看到的光速还是光速，因为在小区域内时间进度是相同的。光速不变不是简单的指无论在什么情况下光都是所谓的匀速直线运动。不过三维空间中任何物质的速度都不超过光速目前仍是正确的。
通过坐标变换，可以得到宇宙的克鲁斯卡时空，它将全时空分为四个对称区域。奇怪的是我们的宇宙似乎只占两个区域，其中1区是我们普通的宇宙，2区是黑洞视界内的宇宙，3区是一个与我们的宇宙对称的宇宙，通过虫洞与我们的宇宙相连，只是这种虫洞只有超光速信号才能通过，光与普通物质无法通过这种黑洞的虫洞进入另一个宇宙。4区是白洞视界内的宇宙。可以说黑洞理论预言了白洞和另一个宇宙。白洞和黑洞相反，经典范围内是个只出不进的天体，它也符合物质不灭定律，它吐出的物质是原本就存在的。方程中虽有白洞解，但不等于现实中一定存在白洞，只是有存在的可能性。霍金等人证明，小黑洞与白洞不可区分。有人猜测黑洞和白洞可以相互转化，白洞喷发的物质来自黑洞吞噬的物质，甚至宇宙的原始大爆炸就是白洞喷发。按大爆炸标准模型，宇宙最可能的结局是物质收缩为原初奇点。全宇宙的物质收缩为一个点，在这样的极端条件下有可能存在黑洞向白洞转化的条件，从而引发下一轮宇宙大爆炸。
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黑洞漫谈之带电黑洞
带电黑洞又称R-N黑洞，它与不带电黑洞的区别是，它有两个视界。落入黑洞的飞船，一旦穿过外视界，就不可抗拒的穿越内外视界间的空间，但穿过内视界后，飞船将自由的飞翔。在那里飞船不至于落到中心奇点上。在奇点附近有巨大的天体引潮力，会把包括飞船在内的所有物质全部撕碎。不过飞船可以避开奇点。后来研究表明，飞船根本不可能靠近中心奇点，只有光才可以抵达那里。任何有静质量的物体都不能在有限时间内到达奇点。进入内视界之后，还可以从另一个宇宙中的白洞穿出，进入另一个宇宙。这就是带电黑洞的虫洞。这类虫洞是可以穿越的，也就是说我们有可能进入另一个宇宙。
如果不断增加R-N黑洞的电荷，将出现内外视界合二为一的局面。这时的黑洞称为极端R-N黑洞。如果再对极端黑洞加一点电荷，则视界消失，奇点将裸露出来，产生"裸奇异"现象。按目前的观点，奇点不属于时空，那里的性质完全不确定，裸奇点往往会向外发出不确定信息，导致时空和物质演化完全不确定。为了避免这一现象的出现，彭若斯提出了宇宙监督假设：存在一位宇宙监督，它禁止裸奇异的出现。只要把奇点用视界包起来，它发出的不确定信息就不会跑出黑洞，因此不会影响宇宙的演化。但是在内视界内部，进入黑洞的人仍可能看到奇点，仍会受它们的奇异性的影响。彭若斯改进他的宇宙监督假设，认为内视界内部的时空是不稳定的，在微扰下它会"倒"在内视界上阻止飞船进入这类区域。最近的研究表明，内视界内部的确有不稳定的倾向。因此，如果他的假设成立，这类虫洞仍是不可超越的，我们仍然不能进入另一个宇宙。但是，"宇宙监督"究竟是什么?这就像当年不了解大气压强而提出的"自然界害怕真空"一样，提出"自然界害怕奇点"。在物理学上没有解决任何问题。如果假设正确，它必定是一条物理定律。也许是我们还不知道的一条定律，但更可能是我们已经知道的一条定律。随着黑洞热力学的深入发展，物理学家们已经越来越肯定，宇宙监督极有可能就是热力学第三定律：不可能通过有限次操作将温度降到绝对零度。
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黑洞漫谈之旋转黑洞
旋转黑洞又称克尔黑洞，它有两个视界和两个无限红移面，而且这四个面并不重合。视界才是黑洞的边界，是指任何物质(经典物理范围内)都无法逃脱的边界。无限红移面是指光在这个面上发生无限红移，即光从一个边界射出后发生引力红移，红移后的频率为零。这一边界就是无限红移面。先前没有提到是因为施瓦西黑洞和带电黑洞的视界和无限红移面是重合的，但是克尔黑洞并不重合，两个无限红移面分别在内视界内部和外视界外部，它们与视界所围成的空间分别叫做内能层和外能层。由于视界才是黑洞的边界，因此外能层不属于克尔黑洞，只能算作黑洞的附属部分。它们很像一个鸡蛋，克尔黑洞是蛋黄，外能层是外面包围的一圈蛋清。在一定条件下，外能层中的物质可能穿出无限红移面进入外部世界。彭若斯证明在特定条件下，能量较低的粒子穿入能层后，可能从能层中获得能量，穿出时有较高的能量。这就是彭若斯过程。通过此过程反复操作可以提取黑洞的能量，使能层变薄。这些能量是黑洞的转动动能。能层变薄，黑洞转动动能减少。当能层消失后，克尔黑洞退化为不旋转的施瓦西黑洞，因此不能再继续以这种方式提取能量了。克尔黑洞中的中心奇异区不是一个点，而是一个奇环，就是由奇点围成的一条圆圈线。
当黑洞旋转速度加快，内外视界可能合二为一，称为极端克尔黑洞。当旋转速度再增加一点，视界消失，奇环裸露在外面。这与彭若斯的宇宙监督假设矛盾。因此在这一前提下，黑洞的转速是有限制的。当外部飞船飞入克尔黑洞时，会不可抗拒的穿过内外视界间的区域，进入内视界内部后可以在其中运动而不一定落在奇环上。而且飞船可以从这里进入其他宇宙，从另一个宇宙的白洞出来。这就是克尔黑洞预言的可穿越虫洞。可是上期曾说过，宇宙监督认为内视界内部区域不稳定，飞船可能还没有到达这个区域就已经撞向奇环了。因此宇宙监督不仅不允许我们的宇宙受奇异性的干扰，似乎也封住了一切可穿越虫洞的入口，不允许我们去发现另一个宇宙。
纽曼等人把克尔解推广到带电情况，得到了一般黑洞解。由于一般黑洞与克尔黑洞结构相似，主要性质和一些主要现象都非常类似，因此不多做讲解。米斯纳从彭若斯过程中得到启发，认为彭若斯过程没有设定物体的大小。若物体是个基本粒子，就与激光的超辐射原理非常相似。这是受激辐射。爱因斯坦研究原子发光时，提出过存在受激辐射的同时一定存在自发辐射，通俗点讲就是原子发光。因此米斯纳提出黑洞存在自发辐射。后来研究表明，黑洞的确可以通过量子隧道效应辐射粒子，这部分粒子将带走黑洞的能量，角动量，和电荷。最终克尔黑洞，R-N黑洞和一般黑洞退化为施瓦西黑洞。施瓦西黑洞似乎仍是一颗只进不出的僵死的星，仍是恒星的最终归宿。然而霍金打破了僵局，发现了一切黑洞(包括施瓦西黑洞)的共同性质，施瓦西黑洞仍是不断演化的。
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黑洞漫谈之黑洞力学四定律
贝肯斯坦和斯马尔各自独立发现了黑洞各参量之间的一个重要关系式，发现黑洞的静止能，转动动能，电势能三者之间存在相互转化关系。这一公式与热力学第一定律表达式非常相似，而且表达的内容也是能量守恒定律。这一公式被称为黑洞力学第一定律。
在热力学中我们知道，并不是所有满足能量守恒的过程都可以实现，只有同时满足第二定律：封闭系统的熵不能减少这一条件才可以实现。熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理。实践证明，只要忽略这一原理就会不可避免的遭到失败。1971年，霍金在不考虑量子效应，宇宙监督假设和强能量条件成立的前提下证明了面积定理：黑洞的表面积在顺时方向永不减少。真实的时空都满足强能条件，即时空的应力不能太小，由一个公式描述。两个黑洞合并为一个黑洞面积增大，因此可以实现。但一个黑洞分裂为两个黑洞，面积减小，因此即使满足能量守恒也是不可能实现的。在面积定理约束下，两个等质量黑洞合并，若面积不变可以放出约30%的黑洞能量。面积定理很容易使物理学家们联想到第二定律的熵，它是唯一显示时间箭头的物理定律。贝肯斯坦等人通过黑洞的微观分析，认为黑洞的确存在与面积成正比的熵。面积定理是热力学第二定律在黑洞力学中的具体体现。
先介绍一个概念：黑洞的表面引力。表面引力就是将物体放在视界处(若黑洞旋转就认为物体与视界一起旋转，与视界相对静止)受到的引力场强度。一个系统存在熵就存在温度，在视界面积与熵成正比的前提下容易证明表面引力与温度成正比。前几期提到的极端黑洞证明它们的表面引力为零。也就是说，极端黑洞是绝对零度的黑洞。热力学第三定律告诉我们，不能通过有限次操作把温度降到绝对零度。因此可以存在黑洞力学第三定律：不能通过有限次操作把一个非极端黑洞转变为极端黑洞。它与彭若斯的宇宙监督假设是等价的。它是一条独立于第一定律与第二定律的公理。
热力学还有个第零定律：如果物体A与B达到热平衡，B与C达到热平衡，则A与C也一定达到热平衡。如果类比正确，应该指望黑洞存在一条类似的第零定律。目前已经证明稳态黑洞表面引力是一个常数。人们把这一结论称为黑洞力学第零定律。
因此，黑洞表面引力相当于温度，表面积相当于熵。如果是真温度，黑洞就是个热力学系统，应该存在热辐射，但通常对黑洞的理解是一个只进不出的天体，不会有热辐射。因此1973年前霍金等人强调，黑洞温度并不应该看作真正的温度，因此上述定律没有被称为黑洞力学斯定律。然而1973年霍金发现，黑洞存在热辐射，上述四定律的确就是热力学四定律。
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黑洞漫谈之霍金辐射
1973年，霍金做出重大发现，他证明所有黑洞都有热辐射，其辐射谱是标准的黑体谱。霍金辐射不遵从面积定理，辐射过程中黑洞面积会缩小，质量也会减小。但仍然服从热力学第二定律，因为黑洞的熵虽然减小了，但辐射出的物质熵增加了。它们的和仍是增大的。到目前为止，自然界中没有任何一种力量可以抗拒黑洞附近(视界内)的引力，那么这些粒子是怎样逃出来的呢?要说明这一问题首先要从真空说起。
为解决量子力学中的负能困难，狄拉克提出了"真空不空"的思想，在泡利不相容原理基础上克服了负能困难，并预言了正电子和反物质的存在。真空并不是一无所有的状态，而是能量最低的状态。也就是说正能态都空着，负能态都被粒子填满的状态。量子力学的测不准关系告诉我们，任何可测量的实过程都必须满足测不准关系：粒子坐标不确定度与动量不确定度的乘积不能小于一个很小的常数。也就是说凡是不满足不确定度关系的粒子都是无法观测到的，我们之所以看不到真空负能粒子海中的粒子就是因为它们不满足测不准关系。正电子，反质子，反中子等反粒子已相继被发现，又发现了诸如开斯米尔效应等真空边界效应，都无可辩驳的证明了负能粒子海的存在，已为物理学家们广泛接受。
延伸这一思想可得到真空涨落的概念。负能粒子海不断发生负能粒子向正能区跃迁的过程，真空中每时每刻都在发生虚粒子对的产生和湮灭，真空并不平静，是一种非常热闹的状态。虚粒子对是由一个正能粒子和一个负能粒子组成，负能粒子不能在我们的宇宙中稳定存在，在极端的时间内就会与正能粒子湮灭。但负能粒子可以在黑洞的视界内部长时间存在，这就导致了黑洞视界两侧的一种不对称，从而产生一种可观测的效应。当负能粒子落入黑洞，可以到达奇点使那里的质量减少。而正能粒子留在外面飞向远方。对于远处的观察者，他看到一个正能粒子飞过来，黑洞减少了相应的质量和电荷，因此他认为黑洞辐射出一个粒子。霍金用量子场论的方法严格证明了这种辐射的存在。
对于施瓦西黑洞，温度与质量成反比，也就是说黑洞越小温度越高。常规黑洞温度很低，接近绝对零度，霍金等人认为宇宙中不止存在常规黑洞，在宇宙大爆炸初期会产生巨大的压力，在一些局部区域会将一些物质压缩为微型黑洞，这些黑洞迅速吸收周围的物质而长大，成为10亿吨级的小黑洞。这类黑洞的特点是温度高达一千亿度，辐射功率约一千万千瓦，相当于一个特大型发电站，不仅不黑，反而是最明亮的光源，半径只有质子大小，核子数约为10^39个，与基本粒子间静电力与万有引力之比大致相等。小黑洞的寿命大约是100亿年相当于宇宙年龄。也许只是巧合，也许隐含着深刻的道理。黑洞存在负的热容，温度越高放热越多，使质量减少，从而促进温度升高，放出更多的热量，形成雪崩效应，最终小黑洞会爆炸消失，小黑洞爆炸类似于宇宙大爆炸，研究小黑洞对天体演化这一课题意义重大。
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黑洞漫谈之黑洞涉及的根本问题
黑洞之所以被称为二十一世纪的主旋律是因为它涉及到了物理学中的一些根本问题。比如，小黑洞涉及到大爆炸，白洞，宇宙年龄，质子大小，静电力与引力强度比等等。总之，涉及到宇宙生成问题。常规黑洞涉及到宇宙大尺度模型，我们的宇宙是否真是一个大黑洞?是否存在一个超巨型黑洞向白洞转化的一场大爆炸?"大爆炸"一般指物质和时空一起在大爆炸中产生，是时空本身在爆炸，而不是物质在现有时空中爆炸。
黑洞触动了物理学的基础。比如，可能破坏重子数守恒定律。重子数守恒是指质子，中子，超子等所谓重子的总数永远是不变的。此定律在基本粒子理论中有重要作用。例如：原子弹，氢弹，反应堆，以及恒星内部的热核反应可以释放巨大的静止能，但是它们的原子能利用率却不到1%。这是由重子数守恒限制的。参与核反应的重子不能减少，因此核反应释放的能量是核子间结合能的差额，一般不超过1%。根据黑洞无毛定理，黑洞只有质量角动量电荷三个参量，物质的其他性质(比如重子数)进入黑洞后完全消失，因为重子已经在奇点附近被压碎了。但黑洞通过霍金辐射放出的粒子只决定于质量角动量电荷三个参量。黑洞发射重子和反重子的几率相等。因此，通过黑洞的形成和消失使物质中巨大数量的重子消失了，从而破坏重子数守恒。黑洞有比量子力学更大的不确定性，我们对黑洞内部细节并不十分清楚，对黑洞放出的粒子状态不能作多少预言。任何物质都可以塌缩为黑洞，但除了质量角动量电荷之外，其他一切参量都彻底消失了。如果此黑洞再向外放出物质，就已经只取决于这三个参量了。因此，当将产生黑洞前的物质状态和黑洞再消失的过程中放出的物质比较时，除了质量角动量电荷外其他物理量其他物理量可能就全都不守恒了。因此，似乎只有两种可能，一是没有其他守恒律，二是黑洞产生和再消失是不可能的或者要受到极大的限制，使它不影响其他定律。
黑洞还引出了物理学中的奇点困难，奇点是时空曲率无限大的地方，是时空的病态部分。任何物理定律面对这样一个点都无能为力。目前绝大多数物理学家都不承认时空中存在奇点，然而却找不到解决的方法。奇点困难已经成为21世纪两大疑难之一。新的理论有希望从这里得到发展。
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黑洞漫谈之奇点困难
空间究竟有限还是无限?时间究竟有没有开始和结束?数千年来，这两个问题一直停留在哲学思辨上。广义相对论问世后，改变了这一状况，它提出，空间肯定是无边的，虽然不能确定它是否有限，但已明确给出了决定空间是否有限的判据。热力学第三定律禁止时间有开始和结束，只要第三定律正确，时间就应该是无限的。时间的无限性与广义相对论的奇点困难密切相关。
广义相对论告诉我们，黑洞内部有一个奇点或奇环，膨胀的宇宙起源于大爆炸初始奇点，脉动的宇宙还有一个终结奇点。这些奇点和奇环与坐标系选择无关，反映时空内在的性质。奇点处时空曲率无限大，物质密度无穷大。奇点是物理理论无法了解的地方，随时可能产生无法预测的信息。奇环附近还有"闭合类时线"，沿着这类曲线运动的人会回到自己的过去。这些事件与因果律发生了冲突。
人们不希望时空中有奇点，有些人推测真实的事空没有奇点，上述奇点是因为我们的模型太理想化了。比如，黑动要"球对称"或"轴对称"，这都是理想化模型，只要对称性不绝对严格就不会出现奇点和奇环。但是彭若斯不相信这些推测，他认为奇点是不可避免的，通过微分几何的严格证明，他针锋相对的提出了"奇点定理"。这一定理说，只要广义相对论正确，因果性成立，那么任何能量非负且有物质存在的时空都至少有一个奇点。霍金也参加进来，给出了另外的证明。彭若斯和霍金在证明过程中对"奇点"概念进行了重新认识，提出了极其重要的新思想：奇点应该看作时间的开始或终结。因此奇点定理的实质内容是：广义相对论正确，因果性成立，能量非负且有物质存在的时空中，至少有一个可实现的物理过程，它的时间有开始或有终结，或既有开始又有终结。
总之，奇点定理告诉我们，时间是有限的。这与热力学第三定律发生了冲突。后来研究表明，奇点定理是在绝对零度或温度无穷大环境下证明的，没有考虑温度的影响，也就是说，奇点定理是在非物理的情况下证明的，它违背了热力学第三定律。有理由相信，热力学第三定律可以排除奇点，保证时间的无限性。在这一回合中第三定律占了上风。但第三定律具体通过什么方式来阻止奇点的形成仍不十分清楚，因此时间是否有限这一问题还不能做出非常肯定的回答。
由霍金辐射一节我们知道，黑洞的热效应与真空密不可分。真空并不像想象的那样简单，它有着极为丰富的内涵。为使我们对真空有一个大致的了解，下期内容将以黑洞漫谈之真空效应结束黑洞方面的内容。
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黑洞漫谈之真空效应
在霍金辐射一期中已经提到了真空的一些性质，这些内容不再重述。在霍金提出黑洞有热辐射之前，安鲁证明了安鲁效应：匀加速直线运动参考系中的观察者处在热浴中。也就是说，原本一无所有的空间，所有的惯性观察者都认为是真空，而在非惯性系中的观察者却发现自己所在的空间不是真空，自己周围充满了热辐射，其温度与加速度成正比。这证明真空与参考系的选择有关，真空也是相对的。而且温度也不是绝对的，它也依赖于参考系的选择。由于这一效应过于微弱，目前实验还无法观测到。安鲁还证明，真空态与热平衡态有共同的本质，选择不同的能量零点，二者之间可以相互转化。
霍金提出黑洞热效应后，安鲁意识到安鲁效应可能与霍金效应有相同的本质。后来证明，这两个效应都是弯曲时空的一种普遍性质，与时空弯曲的细节无关，在证明的过程中甚至用不到爱因斯坦的场方程。它们不是动力学效应，而是一种"边界"效应，取决于坐标系的选择。安鲁效应表明，热辐射起源于真空能级的变化。安鲁效应的温度正比于加速度，也就是正比于此加速系的惯性场强。所以惯性力可看成惯性的经典效应，力学效应，而安鲁效应可看成惯性的量子效应，热效应。类似的，霍金辐射也起源于真空能级的变化，霍金效应的温度正比于黑洞的表面引力，也就是正比于引力场强度。因此万有引力可看作引力场的经典效应，力学效应，而霍金效应可看作引力场的量子效应，热效应。因此惯性力与万有引力也起源于真空能级的变化，惯性力与万有引力有相同的本质和起源，这就是爱因斯坦著名的等效原理。惯性力既不像牛顿认为的那样起源于绝对空间，也不像马赫断言的那样起源于遥远星系，惯性效应实质上是一个起源于加速引起的真空"形变"的局域效应，惯性力就是真空"形变"所造成的反作用力。因此惯性作用也不是超距作用，它与普通力一样，也有反作用力。万有引力也不是直接相互作用，而是通过"形变"的真空相互作用。引力场就是"形变"的真空场。由此可见真空传递信息的速度为光速。
霍金辐射一节中曾提到过开斯米尔效应。它是指放在真空中相距很近的两块板，由于板间真空的量子涨落而存在一种吸引力(不是万有引力)，这一引力是由真空发生变化引起的，理论计算两板间的引力与板间距的四次方成反比。此效应首先被荷兰莱顿实验室观测到，与理论计算相符。总之，无处不在又变化多端的真空存在很多效应，尤其是弯曲时空中真空的研究使人们大开眼界，黑洞理论与真空理论相结合，有希望解开物理学中的许多疑团。
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宇宙模型之大爆炸标准模型
标准模型是建立在宇宙学原理和爱因斯坦场方程基础上的宇宙模型，也就是大爆炸模型。这是40年代由伽莫夫，阿尔芬和赫尔曼提出的。他们认为宇宙是在100多一年前由一个超高温超高密度的原始火球(宇宙蛋)发生大爆炸而产生的。宇宙学原理是指宇宙中所有的空间位置都是等价的，也就是说观察者站在宇宙中的任何位置观察宇宙，他看到的大尺度特征都是一样的，宇宙在空间上是均匀的，各向同性的。
通过求解场方程可得到三个解，宇宙的未来由现在的宇宙平均物质密度决定。若小于或等于临界密度，宇宙会一直膨胀下去。若大于临界密度，宇宙膨胀到一定阶段会转向收缩，最终会回到一个奇点。目前测得的宇宙密度小于临界密度，似乎宇宙应该永远膨胀下去，宇宙是无限无边的。但宇宙学家们大都认为宇宙应该是脉动的，即先膨胀后收缩。因为测定宇宙未来还有一种测定减速因子的方法，即测定宇宙膨胀率的变化率。这种方法更为可靠一些，通过减速因子的测量，证明宇宙是脉动的。因此宇宙学家们认为宇宙中还有大量没有被发现的暗星云，暗星系等暗物质，也有人猜测中微子有静止质量来补充失落的物质。
大爆炸初期的万分之一秒，光子能量非常大，甚至超过强子的静止能，因此可以通过强相互作用产生各种强子。温度降到一万亿度时粒子处于热平衡状态，进行着激烈的强子反应。大爆炸后百分之几秒，温度降到一千亿度时，光子能量低于重子静止能，重子反应停止，正反重子也迅速湮灭，反物质消失，重子中只剩一些质子和中子。由于它们静能之差不大，可以通过和轻子的反应相互转化，质子和中子数几乎相等，由于中子质量略大于质子质量，随着温度降低，中子向质子的转化占优势，结果中子减少，质子增多。大约4秒钟后，温度降到50亿度以下，不足以产生正反电子对，正反电子开始湮灭，正电子消失。使质子和中子的转化停止，中子占14%，质子占86%。大约三分钟后，温度降到十亿度，热运动不足以破坏氘核，中子和质子迅速结合为氘核，又通过各种反应形成氦核。反应完成后氦约占28%左右，刚好和天文观测的氦丰度一致。大约50万年后，温度降到三千到四千度，质子和电子结合为氢原子，其他稳定原子也形成了。此时的光子能量很低，已不能引起原子电离，更不能引起核反应了。因此从这时起，宇宙对光子基本是透明的，光子和粒子的演化从此就互相分开了。这时的辐射约3000K，为黑体辐射谱。经过一百多亿年的膨胀和降温，这几千度的热光变成了冰冷的3K左右微波背景辐射。这正是美国的彭齐亚斯和威尔逊发现的2。7K微波背景辐射。由于大爆炸理论的前提是公认的宇宙学原理和广义相对论，而且该模型又和哈勃红移，氦丰度，背景辐射及射电源计数等主要天文观测结果相吻合，因此是目前公认的宇宙模型，称为标准模型。但还有许多问题没有解决，而且仍有三个原则性问题：(1)初始奇点(2)极早期宇宙情况(3)正反物质初始不对称的原因没有解决。所以标准模型还不能定论。
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宇宙模型之稳恒态宇宙学和等级宇宙模型
稳恒态宇宙学是几位年轻的英国天体物理学家邦迪，戈尔德和霍伊尔在1948年提出的。他们的观点是：在相对论中时空是统一的，既然宇宙学原理认为所有的空间位置都是等价的，那么所有的时刻也应该是等价的。也就是说，天体(物质)的大尺度分布不但在空间上是均匀的和各向同性的，而且在时间上也应该是不变的。也就是在任何时代，任何位置上观察者看到的宇宙图像在大尺度上都是一样的，这一原理称为"完全宇宙学原理"。
根据"完全宇宙学原理"，哈勃常数不仅对空间各点是常数，而且不随时间变化。所以宇宙空间的膨胀在时间和空间上都是均匀的。宇宙空间在膨胀，而物质的分布又与时间无关，这样就必须有物质不断产生出来以"填补真空"，也就是填补宇宙膨胀所产生出来的空间。通过完全宇宙学原理和爱因斯坦场方程可以求出宇宙的时空结构，可以得到宇宙的三维曲率为零，也就是三维空间是平直的。稳恒态宇宙学最大的特点是要求物质和能量不守恒，据计算，物质的相对产生率为三倍的哈勃常数，也就是每年在二到三立方公里的体积内产生相当于一个质子质量的物质来。稳恒态宇宙学可以避免奇点，但它也有许多原则性困难，比如，它要求物质不灭定律不成立。为此，霍伊尔提出修改爱因斯坦场方程，他认为新产生的物质是由新产生的真空由高能级向低能级跃迁引起的真空相变产生的。稳恒态宇宙学出台后曾经引起过轰动，但这种原则性的大改动是不能轻易采取的，除非新理论取得了大的成就，并且与观测事实符合得很好，但实际上稳恒态宇宙学与观测符合的程度并不好，不如大爆炸宇宙学，因此目前还无法撼动大爆炸的根基，成为标准模型。
月亮绕地球转，地球绕太阳转，太阳绕银河的银心转，银河又在星系团中转……从朴素的观点来看，宇宙应该是有这样一种无限的阶梯组成的，无穷无尽。观测表明，在星系团的尺度上，也就是一千万光年到一亿光年尺度上，天体分布是这种阶梯状，但再往上就没有这种现象了，星系团在空间的分布是均匀的。以伏库勒为代表的少数人认为，在一亿光年以上也是这种阶梯状分布，只是目前观测能力不够，没有发现这种现象。这一模型称为等级宇宙模型。但由于缺乏理论基础，而且天文观测证据几乎没有，因此等级宇宙模型的前景不容乐观。
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引力，热与时间
物理学中两个特别值得注意的领域是广义相对论和热力学。除去广义相对论外的所有物理领域(包括热力学)都将时空看作与物质和运动无关的背景，只有广义相对论认为时空背景不能脱离物质和运动。除去热力学之外所有的物理领域(包括广义相对论)都不认为时间由方向，都是可逆的，时间反演成立。只有热力学，他的第二定律显示时间箭头，认为时间有方向，真实的物理过程是不可逆的。第三定律认为真实的物理过程不应该处在绝对零度。
广义相对论认为时间是可逆的，比如如果我们看太阳系行星运动的录像，无论是正放还是倒放，它们都符合广义相对论。行星运动不是热运动，它们的运动不涉及温度。从这里我们无法判断时间的流向，时间无论向哪个方向流都没有矛盾。但是我们将镜头聚焦在地球的一个农村里，如果我们看到一头牛冲进农夫家中一阵横冲直撞，碗碟碎了一地之后牛又冲了出来，我们就知道时间是向前流逝的，录像是正放的。但如果我们看到一头牛倒着冲进农夫家中，地上的碎片组合成碗碟又摆到桌上，牛又倒着冲出来，我们就可以判断录像放反了，真实的物理世界是不可能出现这种现象的。也就是说，真实的物理世界受到许多基本原理的制约，并不像数学世界那样随心所欲。
物质所有的属性中只有"热"和"引力"(时空弯曲)是万有的，任何物质都存在的，而且它们都是不可屏蔽的，所谓绝热壁只是一种想象的东西。恒星和星系之所以稳定存在，是靠万有引力和热运动的排斥作用使物质能够达到一定的平衡，稳定存在。当星体塌缩为黑洞时，居然有温度出现，万有引力发展到极端形成的奇点违背热力学第三定律。可见热与引力有深刻的本质联系，不能将引力与电磁力，强力，弱力等同看待，引力不是真正的力，它不仅仅是时空的弯曲，而且与热不可分割。因此，任何不考虑热的引力理论都可能会遇到一些原则性困难，相对论中的奇点困难就是其中之一，引力场量子化困难也可能与不考虑热有关。如果建立一种有限温度下的引力理论，也许能克服这两个困难。
热力学理论至今未纳入相对论的框架，与相对论之间存在着矛盾冲突。广义相对论告诉我们，引力与时间有关，刚刚又谈到引力与热有关，而热是与时间有关的，热力学四定律都是关于时间的公理。我们可以朦胧的感觉到引力，热与时间之间存在一个三角关系。因此有必要将热力学改造为与相对论相适应的形式，有可能引力与热的结合会诞生新的理论。
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相对论总结
在20世纪的100年中，量子论和相对论都获得了极大的成功。从波尔和索末菲的早期量子论到薛定谔、海森堡、波恩、泡利、狄拉克的量子力学，从二次量子化、重正化到杨振宁和米尔斯的规范场论的建立，从弱电统一、大统一到超弦理论的提出，量子论已经发展为相当成熟的理论，并广泛深入到人类的科研、生产和生活之中。
爱因斯坦最初提出狭义相对论，是一个宏观高速运动的理论。他把时间和空间联系为一个不可分割地整体(四维时空)，把能量和动量联系为一个不可分割的整体(四维动量)。后来的广义相对论进一步认为物质与时空也是不可分离的，它们存在相互作用：物质引起时空弯曲，时空影响物质运动。广义相对论后来用于研究宇宙的结构和演化，使人们认识到，宇宙同生物界及人类自身一样，也处在不断演变和进化过程中。
广义相对论预言和描述了一朵至今尚未发现的灿烂花朵——黑洞。黑洞最初被认为是一颗死亡之星，后来突然发现黑洞有丰富的内涵，它有量子效应和热效应，有着充沛的生命力，是一颗生命之星。黑洞表面引力可视为温度，表面积可看作熵，有负的热容量，发出热辐射后，自身温度反而升高，因此与外界难以形成稳定的热平衡。大黑洞温度很低，小黑洞有极高的温度，最终会爆炸。
广义相对论的研究，特别是黑洞理论的研究，引出了物理学的一个基本困难——奇点困难。物理学的另一个困难也来自弯曲时空的研究。多年探讨表明，引力场量子化后不能重正化，存在一些无穷大项没法消除，即使采用现在的任何一种超对称、超引力和超弦方案都解决不了这一问题。相对论明确指出引力波的存在，美国科学家泰勒和赫尔曼发现了脉冲双星，提供了引力波的间接证据，因此他们共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。所以引力场量子化的想法是合理的，却总不能成功。人类知道的四种相互作用中，前三种都量子化了，唯独引力场碰到了大麻烦。奇点困难和引力场量子化困难是21世纪前夜摆在物理学工作者面前的两大难题，它们有可能把物理学导向一场新的革命。我们可以隐约的感到，物理学似乎再一次处于重大变革的前夜，新的理论必定是现代物理学各分支的一种统一，尤其是相对论和量子论在更高水平的统一。
从人类有自我意识起，就开始不懈的寻求自然界的终极奥秘。从亚里士多德到伽利略，再到牛顿、爱因斯坦……每一步都走得那么艰辛，每一步却又都掀起一场空前的变革，科学的威力已经使人们深信，科学可以使这个时代的傻瓜胜过上个时代的天才。我们可以嘲笑亚里士多德，也许不久之后会有人嘲笑爱因斯坦，但这终究不过是傻瓜在嘲笑天才。我们知道亚里士多的不知道的东西，比如地球绕着太阳转，但我们拥有的只是别人告诉我们的知识，我们更需要的是思想，是一种天才的预见性。你给我一个苹果，我给你一个苹果，我们每人只有一个苹果;你给我一种思想，我给你一种思想，我们就各自拥有两种思想。只有知识而没有思想的人，可能会是个很好的老师，却绝不会是一个真正的科学家。
