利用原子碰撞实验模拟宇宙大爆炸证明原初黑洞

【摘 要】本文通过两束接近光速的金原子核迎面相撞来造成瞬间的能量爆发，模拟宇宙大爆炸最初时间内的情况，并且在此时，通过检测和计算射线的含量验证原初黑洞是否存在。有的理论认为原初黑洞的引力会将物质吸引合并，形成最初的星系，但至于最早的黑洞是否具有足够大的质量形成星系，仍是个未知数。然而通过实验，就能得出结论。

【关键词】原初黑洞 粒子碰撞 宇宙大爆炸

【中图分类号】P145.9 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）26-0188-02

一 作品背景、创意来源

原初黑洞是很早就被预言的一类黑洞，但是却至今没有直接证据能证明原初黑洞的存在。在宇宙大爆炸的初期，宇宙空间急剧膨胀，但是并不完全均匀，以至于某些区域的密度过大，甚至成为黑洞。这与恒星崩塌产生的黑洞不同，原初黑洞并没有那么大的质量。由霍金的理论可以得知，黑洞的质量越小，蒸发的速度越快，因此，原初黑洞很可能瞬间蒸发，而来不及被观察到。就辐射谱而言，黑洞与有温度的物体完全一样，而黑洞所对应的温度，则正比于黑洞视界的重力强度。换言之，黑洞的温度取决于它的大小。若黑洞只比太阳的几倍重，它的温度大约只比绝对零度高出亿分之一度，而更大的黑洞温度甚至更低。因此这类黑洞所发出的量子辐射，一律会被大爆炸所留下的2.7度辐射（宇宙背景辐射）完全淹没，因此很难被观测到。而原初黑洞由于寿命很短，其发出的量子辐射很容易就被忽视了，即使周围物质受到吸引而产生X射线，也会因为太弱而无法确定了。因此原初黑洞一直是科学界无法证明的一个可能的存在，而最近本人在《环球科学》的一本天文学专刊中，看到了一次科学界重大的革命。数百位科学家齐聚美国，利用“相对论性重离子对撞机”（Relativistic Heavy Ion Collider，缩写为RHIC），让两束接近光速运行的金原子迎头碰撞，相对论重离子对撞机可以强力粉碎金离子，使得中子等粒子可以分解成组成它的夸克和胶子，进而产生出炽热和致密的物质能量爆发，模拟了大爆炸最初几秒内发生的情况。这个实验给了我启发，可以通过模拟的宇宙大爆炸来证明是否存在原初黑洞，并且进而证明是否是原初黑洞产生的引力使得星系形成。

二 该领域国内外研究现状或解决方案及其优缺点

2005年3月18日英国《卫报》报道，美国布朗大学物理教授霍拉蒂・纳斯塔西在地球上制造出了第一个“人造黑洞”。

2009年10月15日，《科学》杂志宣布，世界上第一个“人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。不过，这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界，还能帮助人们更好地吸收太阳能。这些“人造黑洞”只是能证明黑洞的存在，而不能纯粹证明原初黑洞的存在及性质。当比太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解，因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质，产生肉眼可见的结果。

三 作品核心创意

利用RHIC将金原子核以接近光速对撞在一起，进而知道类似大爆炸最初几微秒的环境，每一场对撞都是一场微型大爆炸。金原子以接近光速移动，因为相对论效应而变得扁平，夸克和胶子被禁锢在质子和中子内部。原子核中的粒子彼此碰撞和穿越，留下了一片高度激发的区域，夸克和胶子在其中觉醒，之后，夸克和胶子的等离子体完全形成，温度也达到最高点，这时巨大压力使这个体系迅速膨胀，模拟出宇宙大爆发的瞬间。在这一瞬间，检测是否能产生出原初黑洞。

由于黑洞的密度极大，根据公式：密度=质量/体积，可以知道，为了让黑洞密度无限大，那就要求黑洞的体积要无限小，然后质量要无限大，这样才能成为黑洞。正常的黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星，它的质量极大，体积极小。但黑洞也有灭亡的那天，按照霍金的理论，在量子物理中，有一种名为“隧道效应”的现象，即一个粒子的场强分布虽然尽可能让能量低的地方较强，但即使在能量相当高的地方，黑洞喷射物不断变亮，场强仍会有分布，对于黑洞的边界来说，这就是一堵能量相当高的势垒，但是粒子仍有可能出去。霍金还证明，每个黑洞都有一定的温度，而且温度的高低与黑洞的质量成反比例。也就是说，大黑洞温度低，蒸发也微弱；小黑洞的温度高，蒸发也强烈，类似剧烈的爆发。一个太阳大的黑洞，大约要1066年才能蒸发殆尽；一颗小行星大小的黑洞会在10-21秒内蒸发得干干净净。而像原初黑洞一样的黑洞，则会在几乎不能观测的一瞬间消耗殆尽，因此不能通过一般的手段，而要通过观测射线的辐射。随着对其他旋涡星系的研究，科学家们发现：那些释放能量最多的黑洞，可以在数千光年的尺度上影响它的宿主星系。在物质落入黑洞的过程中，会发出强烈的紫外线和X射线，驱使热气体向外运动，扫过星系中恒星的形成区域。因而可以通过检测超强的X射线来寻找原初黑洞。

X射线的性质：（1）不可见、以直线传播、不带电、不受电场和磁场的影响，与可见光一样，可以反射、折射、透射、干涉、绕射等。但是反射是漫散射，折射也不像可见光那样能观察到。（2）穿透能力强，可穿透肌肉、骨骼、金属，被吸收后能产生热量。（3）能感光、能使某些物质产生荧光作用，X射线的探测可基于多种方法。最普通的一种方法叫做照相底板法，这种方法在医院里经常使用。将一片照相底片放置于人体后，X射线穿过人体内软组织（皮肤及器官）后会照射到底片，令这些部位于底片经显影后保留黑色；X射线无法穿过人体内的硬组织，如骨或其他被注射含钡或碘的物质，底片于显影后会显示成白色。光激影像板因子位化容易，在少部分医院已以之取代传统底片。另一方法是利用X光照在特定材质上所产生的荧光，如碘化钠（NaI）。科学研究上，除了使用X光CCD，也利用X光游离气体的特性，使用气体游离腔作为X光强度之侦测。这些方法只能显示出X射线的光子密度，但无法显示出X射线的光子能量。X光光子的能量通常以晶体使X光衍射再依布拉格定律（Bragg's law）决定。目前普遍认为人眼是看不见X光的，而且几乎所有的X光的使用者都认为这是事实。然而严格地说，这实际上是不正确的，在特殊的情况下，肉眼实际上是可以看见X光的。

四 创意可行性分析

鉴于用金原子碰撞来模拟宇宙大爆炸初期情况的实验已经完成，所以实验部分应该难度不太大，但是国内的粒子对撞机可能达不到美国相对论性重离子对撞机的水平。在检测X射线的部分，则可能会有一些问题出现，在金原子束碰撞的时候，最后阶段夸克和胶子重新结合成的强子会以光速飞出，射向探测器的途中会发生一些衰变，少量衰变成光子，高能介子、电子和其他粒子，因而可能会产生对检测X射线有影响的射线。而且，由于两束金原子对碰，可能产生的原初黑洞也会很微乎其微，其产生的X射线量也会很少，因此需要敏感的探测剂来探测原生黑洞产生的X射线。

五 作品或创意应用前景

此次实验能客观地证明原初黑洞的存在，并且能推测出是否是原初黑洞的引力将物质吸引合并，形成最初的星系。此次实验会让关于黑洞的研究更进一步，星系早期的情景更生动地再现，并且为相对论和量子力学在这方面的内容，加以修正和完善。实验要求的精准度也会客观地加速粒子对撞机的发展和完善，同时让人们更深入地了解了生命的起源，宇宙的起源。

参考文献

[1]焦善庆、许弟余、龚自正等.宇宙起源及宇宙命运[J].吉首大学学报（自然科学版），2006（2）

[2]博乔瓦尔德.“宇宙大爆炸”之前存在“前宇宙”吗？[A].中国科学院高能物理研究所参考资料[C]，2007（2）：7～8

[3]许弟余、焦善庆、周勋秀等.宇宙早期核子的奇异性质[J].湖南师范大学自然科学学报，2003（4）

[4]周勋秀、焦善庆.强黑洞（原生黑洞）的物理性质[J].云南大学学报（自然科学版），2002（5）