探索物质的本元:从奇点到LHC

目前的宇宙学界，又让黑洞成了新宠。黑洞究竟是什么，谁也没有见过，而且根本是看不到的。严格说来，它是一个理论上的产物。但现代科学相信它的存在，这是从它极强的引力效应中验证到的。

1916年，爱因斯坦建立了他的广义相对论。实质上，这是一种新的引力理论，当时极为轰动。可以毫不夸张地说，现代物质文明，是建立在两大物理理论――相对论和量子论――基础上的。

就在广义相对论发表几个月后，德国天文学家卡尔・史瓦西对爱因斯坦的方程做出一个解，得出了黑洞这一奇怪的天体。据说，爱因斯坦相当尴尬，他承认史瓦西的解正确无误，却不相信黑洞的真实存在。

史瓦西的黑洞，结构很简单，由一个奇点和视界组成，视界是一个包围着奇点的球面，而奇点即为这个球体的中心。它有极强的引力，以致任何东西（包括光）一旦落入视界，就永远无法逃出。就这样，视界跟宇宙的其余部分完全分隔。任何事物落入黑洞，就永远消失。宇宙学界之所以宠爱黑洞，是因为宇宙的创生大爆炸源于一个奇点，理论家只能在理论上追溯宇宙的起点。而今黑洞中有着现成的奇点，不是正好成为最佳的样本吗？

按目前恒星演化的理论，例如太阳（也即恒星中的主序星），它出生于46亿年前，大概还能再活上50亿年。届时它将平静地“死”去，留下一颗密实（达109克/厘米3至1011克/厘米3）的星核。天文界把这种天体称为白矮星，其表面温度达几十万摄氏度。

天上的星星，肉眼看上去都是一个个的小点，其实有的星球体积可达太阳的20倍，甚至100倍。就拿体积20倍于太阳的星球来说，其死亡（即星球内部核燃料耗尽）时又是怎样的？此时，这颗巨星的星核在引力的作用下不断向内挤压，一块喜马拉雅山大小的铁块一下被挤压成一颗沙粒大小，温度升高到1000亿摄氏度。原子皆碎裂成电子、质子、中子，直至轻子、夸克、胶子。这样一直下去，越来越小、越密实，直到无人知道的程度。此时，这个天体就变成了一个黑洞。

不过，史瓦西的黑洞自提出以来一直被认为是科学珍闻，不为科学界真正接受。直到1967年美国物理学家J.惠勒对黑洞做了较为系统的论述，才使它成了响名。就在这个时期，有关黑洞的思想有了很大的变化，这主要得益于新的观测技术。在天文观测上，过去一直局限于可见光，至20世纪60年代，X射线望远镜和射电望远镜开始被广泛应用，这就使得天文学家看到了过去看不到的天文现象。

这里还要简略地介绍一下霍金。这位带着病痛的年轻物理学家，提出了黑洞不黑的理论。简单说来，黑洞内部的物质可通过量子论中的坠落效应逃离黑洞。霍金自此一炮打响，闻名于世。此后，黑洞的性质得到进一步发掘。

经过一代人的努力，黑洞终于变成广为接受的思想。现在认为，黑洞在宇宙中相当普遍，可能有几十亿个。

尤其是一些超巨型黑洞，它们对宇宙的演化显然起着重要作用。首先，大多数星系的中心都有这种黑洞。例如，在银河系中心就躲藏着一个超巨型黑洞，其质量估计为450万个太阳。我们

称之为人马座A*，距我们26 000光年。它是一个安静的黑洞，但没有人能保证它会一直安静下去。据天文界观察，人马座A*开始有胃口了，它目前正拉着一块气体云G2以每秒2880千米的速度

向它奔去，不到1年的时间，G2将接近其视界。

现在有关的天文机构都忙碌起来，正如哈格得（英国西北大学）所说：“这可能是我们了解黑洞吞食的最佳机会，因为它离我们较近。”他们已将最新型的仪器对准人马座A*，那是美国航空航天局（NASA）的核光谱望远镜阵列（Nu SATR）。它于2012年升空，能测到高能X射线辐射，即盘旋在黑洞边缘的高温气体发出的强烈辐射。2014年，它探测到来自人马座A*的爆发，那

可能是盘旋着的气体穿过磁场时发出的极明亮的闪光，或者是有可能产生一条狭长的能量射流。

在过去的10年中，还有两颗X射线卫星一直关注着银心。哈格得说：“我们从这些观测回溯过去，从而得知在最近的100年前，有一个甚强辐射来自人马座A*。”现在还说不清其起因，因为望远镜的分辨率还不够。

最令人兴奋的是，全世界的所有射电望远镜都将聚焦于人马座A*，并对它做同步观测，从而形成一个相当于地球尺度口径的望远镜，有望拍下黑洞在行动中的图像。当然，这不是黑洞本身，而是其周围物质吸积盘的活动。

了解黑洞的行为有助于我们知悉宇宙的构造。向黑洞快速飞去的物质，势必产生大量的摩擦热；黑洞还自转着，这基本上是一个空间的旋涡。摩擦热跟自转相结合，就导致大量物质落入黑洞。

吸积盘中的高温物质形成喷流，猛向空间射去，以近光速离开黑洞。这种喷流往往长数百万光年，笔直地穿越一个星系。从另一方面来说，黑洞搅拌了星系中心的老星球，并将这一过程产生的热气体远送到星系的区域，它们逐渐冷却、凝聚，最终产生新的星球。这一过程可以使星系永远保持活力。

还有两个问题也值得一提。人们往往认为黑洞的引力强度是无限的，其实不然。一个黑洞的真空能绝不可能大于通常的星球，它应该拥有跟其质量相对应的引力。如果我们的太阳突然变成黑洞，它将保持同样的质量，而其直径将缩短至6.4千米，地球将变得黑暗而寒冷，但它的绕日轨道依旧不变。这个太阳黑洞仍跟过去（全尺度）一样，以同样的引力抓住地球。

第二个问题是时间与黑洞的关系。就如爱因斯坦陈述的那样，时间也受到引力的影响。若你将一台时钟置于高楼每一层的地板上，你将看到它们的走时速率是不同的。在较低的楼层（即较接近地心）引力较强一点，故钟的走时较慢。可是没有人发觉，因为这个差别太小了，仅为10-9秒。

若有人走近人马座A*的视界，只要他不穿过去，那么他在那里待的1分钟，在地球上将是1000年。这很难令人相信，但科学家确信如此，这就是引力战胜了时间。

若你穿越了视界，又将会怎样呢？在视界外面的某位观察者看来，你没有掉进去，而是待在视界边上，且一直如此。

那么进入黑洞后，你自己又将感到什么呢？人马座A*很大，从奇点至视界足有1300万千米。当你越过视界，有可能此时会出现火墙（量子论的看法），它从里面一直延伸到视界的上方，无疑你将被烧毁。

但相对论预言，当你越过视界时什么事也不会发生；实际上，你只是丢失了宇宙的其余部分，你还一切完好。黑洞很深，但它有底，不过你无法活着看到这个底。随着你向中心（即奇点）的落入，引力越来越强。若你的脚先进入黑洞，你将感到脚上受到的引力比头部强，越是深入，二者之间的差异越大。最终你将被撕裂。物理学家把这一过程称为面条化。

迄今，黑洞中心（奇点）仍是一个谜，在这个极端的地方，相对论和量子论皆失去效力。它被想象成极小之点，即使放大亿万倍还是难以看到，却重得难以想象。科学界相信其存在，可是不知道其内部是什么。

从恒星演化到黑洞，已无法再演化了，可是怎么没有看到中子星的出现？是的，现在要追加一段新的发现和创见。

2012年11月22日，天文学家在离我们8400万光年处，观察到了一个超新星爆发（SN 2009ip）。可是，这一天体在几个星期前已经发生过超新星爆发，而一个天体不可能连续发生超新星爆发。因此，人们大惑不解。

加拿大卡尔加里大学的乌依得（R.Ouyed）却处之泰然。他认为，这不是超新星爆发，而是一种更奇怪的天文现象，标志着一颗夸克星的猛烈诞生。这是一个宇宙怪物，之前仅出现于一些物理学家的方程中。现在，它真实地存在于宇宙的原野上。

这一天文事件的意义巨大。它可能有助于解决一些神秘问题，诸如伽马射线暴、重元素在宇宙中的形成，它还可能使我们更好地了解物质的基本结构。

1984年，理论物理学家惠顿（E.Witten）首先对夸克星做出了论述。他认为，质子和中子并不是最稳定的形态，它们由更小的实体组成，即夸克，共有六种。这里将谈及三种（即上、下和奇异夸克）。惠顿认为，夸克具有较低的净能量，因此十分稳定。

当一颗比太阳重得多的星球耗尽燃料时，其内核就会爆炸，它的外层将被射向空间，最后留下的是一颗中子星。从名字就可以知道，该星主要由中子组成，带着一个铁质的星壳飞快地自转着，产生很强的磁场。这就使它消耗能量，越转越慢，以致牵制引力的离心力开始减弱，引力就进一步挤压星球物质。

一个瞬间，中子物质就变成了夸克。它们是一团上、下和奇异夸克的浓汤。按理说，这种现象是很少发生的。但在中子星那样高密、高温的条件下，终于产生了夸克星。

乌依得说，根据他们的模拟，这一转变（中子物质到夸克）是一个非常激烈的过程，星球的内核变得难以置信的密实，并出现反弹，产生冲击波，这跟超新星的爆发过程十分类似。SN 2009ip于2012年8月初第一次大爆发，但40多天后，又产生大闪烁。乌依得等相信，他们目击了夸克星的产生。

他们认为，在夸克星中，夸克能自由地处于高密度和低温的条件中，而不是像处在质子中那样被束缚在一起。

一些物理学家说，若夸克星确实存在，那么它将是独有的天体物理实验室，有助于我们理解物质的根本性质，而这正是宇宙学家探测创生大爆炸奇点的一个重要目的。

尽管黑洞中的这个奇点目前仍是一个谜，但科学界依然高歌猛进，他们转向人类自身的智慧。你还记得吗？2013年欧洲核子研究所的大型强子对撞机（LHC）在实验室中找到了希格斯粒子，这是科学家希格斯早就预言过的粒子，正是它赋予物质以质量。现在，欧洲核子研究所的科学家雄心勃勃，他们已对LHC进行了大规模的改装、升级，使之大幅度地提高碰撞能量。

2013年，他们让高速飞奔的质子迎面相碰，此时产生的能量高达8×106兆电子伏特，质子全被碰碎，在无数碎片中，他们终于找到了希格斯粒子。在大自然中，该粒子出现在宇宙创生大爆炸后的10-12秒。而到2015年，改装后的LHC将产生109兆电子伏特的能量，远没有达到万有理论（即电磁力，强、弱力和引力）的能量。更多的物理学家认为，目前宇宙学的标准模型只是一个更大理论的组成部分，该理论将把四种力统一起来，并使我们了解各个能量尺度上的物质特性。这个万有理论对应的能量，应该在1018兆电子伏特或更高，出现在大爆炸后的10-36秒内。因此，原始物质究竟是何种模样，没有人能回答，甚至猜想都很困难。按目前的理论，电子、夸克、中微子是不可分的。而按量子理论学家普朗克告诉我们的，最小的空间间隔为10-33厘米，这要比电子等基本粒子小得多！

尽管升级版的LHC的能量离原初宇宙还很远，但物理学家还是很兴奋，他们期待新的碰撞实验，期待看到一些意外的现象。我们跟他们一样，只能期待。