探索物質(zhì)的本元：從奇點(diǎn)到LHC

陳壯叔

目前的宇宙學(xué)界，又讓黑洞成了新寵。黑洞究竟是什么，誰也沒有見過，而且根本是看不到的。嚴(yán)格說來，它是一個(gè)理論上的產(chǎn)物。但現(xiàn)代科學(xué)相信它的存在，這是從它極強(qiáng)的引力效應(yīng)中驗(yàn)證到的。

1916年，愛因斯坦建立了他的廣義相對論。實(shí)質(zhì)上，這是一種新的引力理論，當(dāng)時(shí)極為轟動(dòng)。可以毫不夸張地說，現(xiàn)代物質(zhì)文明，是建立在兩大物理理論——相對論和量子論——基礎(chǔ)上的。

就在廣義相對論發(fā)表幾個(gè)月后，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西對愛因斯坦的方程做出一個(gè)解，得出了黑洞這一奇怪的天體。據(jù)說，愛因斯坦相當(dāng)尷尬，他承認(rèn)史瓦西的解正確無誤，卻不相信黑洞的真實(shí)存在。

史瓦西的黑洞，結(jié)構(gòu)很簡單，由一個(gè)奇點(diǎn)和視界組成，視界是一個(gè)包圍著奇點(diǎn)的球面，而奇點(diǎn)即為這個(gè)球體的中心。它有極強(qiáng)的引力，以致任何東西（包括光）一旦落入視界，就永遠(yuǎn)無法逃出。就這樣，視界跟宇宙的其余部分完全分隔。任何事物落入黑洞，就永遠(yuǎn)消失。宇宙學(xué)界之所以寵愛黑洞，是因?yàn)橛钪娴膭?chuàng)生大爆炸源于一個(gè)奇點(diǎn)，理論家只能在理論上追溯宇宙的起點(diǎn)。而今黑洞中有著現(xiàn)成的奇點(diǎn)，不是正好成為最佳的樣本嗎？

按目前恒星演化的理論，例如太陽（也即恒星中的主序星），它出生于46億年前，大概還能再活上50億年。屆時(shí)它將平靜地“死”去，留下一顆密實(shí)（達(dá)109克/厘米3至1011克/厘米3）的星核。天文界把這種天體稱為白矮星，其表面溫度達(dá)幾十萬攝氏度。

天上的星星，肉眼看上去都是一個(gè)個(gè)的小點(diǎn)，其實(shí)有的星球體積可達(dá)太陽的20倍，甚至100倍。就拿體積20倍于太陽的星球來說，其死亡（即星球內(nèi)部核燃料耗盡）時(shí)又是怎樣的？此時(shí)，這顆巨星的星核在引力的作用下不斷向內(nèi)擠壓，一塊喜馬拉雅山大小的鐵塊一下被擠壓成一顆沙粒大小，溫度升高到1000億攝氏度。原子皆碎裂成電子、質(zhì)子、中子，直至輕子、夸克、膠子。這樣一直下去，越來越小、越密實(shí)，直到無人知道的程度。此時(shí)，這個(gè)天體就變成了一個(gè)黑洞。

不過，史瓦西的黑洞自提出以來一直被認(rèn)為是科學(xué)珍聞，不為科學(xué)界真正接受。直到1967年美國物理學(xué)家J.惠勒對黑洞做了較為系統(tǒng)的論述，才使它成了響名。就在這個(gè)時(shí)期，有關(guān)黑洞的思想有了很大的變化，這主要得益于新的觀測技術(shù)。在天文觀測上，過去一直局限于可見光，至20世紀(jì)60年代，X射線望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡開始被廣泛應(yīng)用，這就使得天文學(xué)家看到了過去看不到的天文現(xiàn)象。

這里還要簡略地介紹一下霍金。這位帶著病痛的年輕物理學(xué)家，提出了黑洞不黑的理論。簡單說來，黑洞內(nèi)部的物質(zhì)可通過量子論中的墜落效應(yīng)逃離黑洞?；艚鹱源艘慌诖蝽?，聞名于世。此后，黑洞的性質(zhì)得到進(jìn)一步發(fā)掘。

經(jīng)過一代人的努力，黑洞終于變成廣為接受的思想?，F(xiàn)在認(rèn)為，黑洞在宇宙中相當(dāng)普遍，可能有幾十億個(gè)。

尤其是一些超巨型黑洞，它們對宇宙的演化顯然起著重要作用。首先，大多數(shù)星系的中心都有這種黑洞。例如，在銀河系中心就躲藏著一個(gè)超巨型黑洞，其質(zhì)量估計(jì)為450萬個(gè)太陽。我們

稱之為人馬座A*，距我們26 000光年。它是一個(gè)安靜的黑洞，但沒有人能保證它會(huì)一直安靜下去。據(jù)天文界觀察，人馬座A*開始有胃口了，它目前正拉著一塊氣體云G2以每秒2880千米的速度

向它奔去，不到1年的時(shí)間，G2將接近其視界。

現(xiàn)在有關(guān)的天文機(jī)構(gòu)都忙碌起來，正如哈格得（英國西北大學(xué)）所說：“這可能是我們了解黑洞吞食的最佳機(jī)會(huì)，因?yàn)樗x我們較近?！彼麄円褜⒆钚滦偷膬x器對準(zhǔn)人馬座A*，那是美國航空航天局（NASA）的核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列（Nu SATR）。它于2012年升空，能測到高能X射線輻射，即盤旋在黑洞邊緣的高溫氣體發(fā)出的強(qiáng)烈輻射。2014年，它探測到來自人馬座A*的爆發(fā)，那

可能是盤旋著的氣體穿過磁場時(shí)發(fā)出的極明亮的閃光，或者是有可能產(chǎn)生一條狹長的能量射流。

在過去的10年中，還有兩顆X射線衛(wèi)星一直關(guān)注著銀心。哈格得說：“我們從這些觀測回溯過去，從而得知在最近的100年前，有一個(gè)甚強(qiáng)輻射來自人馬座A*?！爆F(xiàn)在還說不清其起因，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡的分辨率還不夠。

最令人興奮的是，全世界的所有射電望遠(yuǎn)鏡都將聚焦于人馬座A*，并對它做同步觀測，從而形成一個(gè)相當(dāng)于地球尺度口徑的望遠(yuǎn)鏡，有望拍下黑洞在行動(dòng)中的圖像。當(dāng)然，這不是黑洞本身，而是其周圍物質(zhì)吸積盤的活動(dòng)。

了解黑洞的行為有助于我們知悉宇宙的構(gòu)造。向黑洞快速飛去的物質(zhì)，勢必產(chǎn)生大量的摩擦熱；黑洞還自轉(zhuǎn)著，這基本上是一個(gè)空間的旋渦。摩擦熱跟自轉(zhuǎn)相結(jié)合，就導(dǎo)致大量物質(zhì)落入黑洞。

吸積盤中的高溫物質(zhì)形成噴流，猛向空間射去，以近光速離開黑洞。這種噴流往往長數(shù)百萬光年，筆直地穿越一個(gè)星系。從另一方面來說，黑洞攪拌了星系中心的老星球，并將這一過程產(chǎn)生的熱氣體遠(yuǎn)送到星系的外圍區(qū)域，它們逐漸冷卻、凝聚，最終產(chǎn)生新的星球。這一過程可以使星系永遠(yuǎn)保持活力。

還有兩個(gè)問題也值得一提。人們往往認(rèn)為黑洞的引力強(qiáng)度是無限的，其實(shí)不然。一個(gè)黑洞的真空能絕不可能大于通常的星球，它應(yīng)該擁有跟其質(zhì)量相對應(yīng)的引力。如果我們的太陽突然變成黑洞，它將保持同樣的質(zhì)量，而其直徑將縮短至6.4千米，地球?qū)⒆兊煤诎刀洌睦@日軌道依舊不變。這個(gè)太陽黑洞仍跟過去（全尺度）一樣，以同樣的引力抓住地球。

第二個(gè)問題是時(shí)間與黑洞的關(guān)系。就如愛因斯坦陳述的那樣，時(shí)間也受到引力的影響。若你將一臺(tái)時(shí)鐘置于高樓每一層的地板上，你將看到它們的走時(shí)速率是不同的。在較低的樓層（即較接近地心）引力較強(qiáng)一點(diǎn)，故鐘的走時(shí)較慢?？墒菦]有人發(fā)覺，因?yàn)檫@個(gè)差別太小了，僅為10-9秒。

若有人走近人馬座A*的視界，只要他不穿過去，那么他在那里待的1分鐘，在地球上將是1000年。這很難令人相信，但科學(xué)家確信如此，這就是引力戰(zhàn)勝了時(shí)間。

若你穿越了視界，又將會(huì)怎樣呢？在視界外面的某位觀察者看來，你沒有掉進(jìn)去，而是待在視界邊上，且一直如此。

那么進(jìn)入黑洞后，你自己又將感到什么呢？人馬座A*很大，從奇點(diǎn)至視界足有1300萬千米。當(dāng)你越過視界，有可能此時(shí)會(huì)出現(xiàn)火墻（量子論的看法），它從里面一直延伸到視界的上方，無疑你將被燒毀。

但相對論預(yù)言，當(dāng)你越過視界時(shí)什么事也不會(huì)發(fā)生；實(shí)際上，你只是丟失了宇宙的其余部分，你還一切完好。黑洞很深，但它有底，不過你無法活著看到這個(gè)底。隨著你向中心（即奇點(diǎn)）的落入，引力越來越強(qiáng)。若你的腳先進(jìn)入黑洞，你將感到腳上受到的引力比頭部強(qiáng)，越是深入，二者之間的差異越大。最終你將被撕裂。物理學(xué)家把這一過程稱為面條化。

迄今，黑洞中心（奇點(diǎn)）仍是一個(gè)謎，在這個(gè)極端的地方，相對論和量子論皆失去效力。它被想象成極小之點(diǎn)，即使放大億萬倍還是難以看到，卻重得難以想象。科學(xué)界相信其存在，可是不知道其內(nèi)部是什么。

從恒星演化到黑洞，已無法再演化了，可是怎么沒有看到中子星的出現(xiàn)？是的，現(xiàn)在要追加一段新的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)見。

2012年11月22日，天文學(xué)家在離我們8400萬光年處，觀察到了一個(gè)超新星爆發(fā)（SN 2009ip）?？墒?，這一天體在幾個(gè)星期前已經(jīng)發(fā)生過超新星爆發(fā)，而一個(gè)天體不可能連續(xù)發(fā)生超新星爆發(fā)。因此，人們大惑不解。

加拿大卡爾加里大學(xué)的烏依得（R.Ouyed）卻處之泰然。他認(rèn)為，這不是超新星爆發(fā)，而是一種更奇怪的天文現(xiàn)象，標(biāo)志著一顆夸克星的猛烈誕生。這是一個(gè)宇宙怪物，之前僅出現(xiàn)于一些物理學(xué)家的方程中?，F(xiàn)在，它真實(shí)地存在于宇宙的原野上。

這一天文事件的意義巨大。它可能有助于解決一些神秘問題，諸如伽馬射線暴、重元素在宇宙中的形成，它還可能使我們更好地了解物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。

1984年，理論物理學(xué)家惠頓（E.Witten）首先對夸克星做出了論述。他認(rèn)為，質(zhì)子和中子并不是最穩(wěn)定的形態(tài)，它們由更小的實(shí)體組成，即夸克，共有六種。這里將談及三種（即上、下和奇異夸克）?；蓊D認(rèn)為，夸克具有較低的凈能量，因此十分穩(wěn)定。

當(dāng)一顆比太陽重得多的星球耗盡燃料時(shí)，其內(nèi)核就會(huì)爆炸，它的外層將被射向空間，最后留下的是一顆中子星。從名字就可以知道，該星主要由中子組成，帶著一個(gè)鐵質(zhì)的星殼飛快地自轉(zhuǎn)著，產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場。這就使它消耗能量，越轉(zhuǎn)越慢，以致牽制引力的離心力開始減弱，引力就進(jìn)一步擠壓星球物質(zhì)。

一個(gè)瞬間，中子物質(zhì)就變成了夸克。它們是一團(tuán)上、下和奇異夸克的濃湯。按理說，這種現(xiàn)象是很少發(fā)生的。但在中子星那樣高密、高溫的條件下，終于產(chǎn)生了夸克星。

烏依得說，根據(jù)他們的模擬，這一轉(zhuǎn)變（中子物質(zhì)到夸克）是一個(gè)非常激烈的過程，星球的內(nèi)核變得難以置信的密實(shí)，并出現(xiàn)反彈，產(chǎn)生沖擊波，這跟超新星的爆發(fā)過程十分類似。SN 2009ip于2012年8月初第一次大爆發(fā)，但40多天后，又產(chǎn)生大閃爍。烏依得等相信，他們目擊了夸克星的產(chǎn)生。

他們認(rèn)為，在夸克星中，夸克能自由地處于高密度和低溫的條件中，而不是像處在質(zhì)子中那樣被束縛在一起。

一些物理學(xué)家說，若夸克星確實(shí)存在，那么它將是獨(dú)有的天體物理實(shí)驗(yàn)室，有助于我們理解物質(zhì)的根本性質(zhì)，而這正是宇宙學(xué)家探測創(chuàng)生大爆炸奇點(diǎn)的一個(gè)重要目的。

盡管黑洞中的這個(gè)奇點(diǎn)目前仍是一個(gè)謎，但科學(xué)界依然高歌猛進(jìn)，他們轉(zhuǎn)向人類自身的智慧。你還記得嗎？2013年歐洲核子研究所的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）在實(shí)驗(yàn)室中找到了希格斯粒子，這是科學(xué)家希格斯早就預(yù)言過的粒子，正是它賦予物質(zhì)以質(zhì)量。現(xiàn)在，歐洲核子研究所的科學(xué)家雄心勃勃，他們已對LHC進(jìn)行了大規(guī)模的改裝、升級，使之大幅度地提高碰撞能量。

2013年，他們讓高速飛奔的質(zhì)子迎面相碰，此時(shí)產(chǎn)生的能量高達(dá)8×106兆電子伏特，質(zhì)子全被碰碎，在無數(shù)碎片中，他們終于找到了希格斯粒子。在大自然中，該粒子出現(xiàn)在宇宙創(chuàng)生大爆炸后的10-12秒。而到2015年，改裝后的LHC將產(chǎn)生109兆電子伏特的能量，遠(yuǎn)沒有達(dá)到萬有理論（即電磁力，強(qiáng)、弱力和引力）的能量。更多的物理學(xué)家認(rèn)為，目前宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型只是一個(gè)更大理論的組成部分，該理論將把四種力統(tǒng)一起來，并使我們了解各個(gè)能量尺度上的物質(zhì)特性。這個(gè)萬有理論對應(yīng)的能量，應(yīng)該在1018兆電子伏特或更高，出現(xiàn)在大爆炸后的10-36秒內(nèi)。因此，原始物質(zhì)究竟是何種模樣，沒有人能回答，甚至猜想都很困難。按目前的理論，電子、夸克、中微子是不可分的。而按量子理論學(xué)家普朗克告訴我們的，最小的空間間隔為10-33厘米，這要比電子等基本粒子小得多！

盡管升級版的LHC的能量離原初宇宙還很遠(yuǎn)，但物理學(xué)家還是很興奮，他們期待新的碰撞實(shí)驗(yàn)，期待看到一些意外的現(xiàn)象。我們跟他們一樣，只能期待。