宇宙怪胎：黑洞原子

陳壯叔

20紀(jì)70年代，霍金提出了“黑洞不黑”的原理，這是說(shuō)黑洞并非只吞食物質(zhì)和輻射的“天體”，它同時(shí)也蒸發(fā)出粒子和輻射，此稱霍金輻射。霍金在黑洞理論上還提出了一個(gè)新的概念——原初黑洞。黑洞不光是大質(zhì)量恒星燃盡核燃料后的歸宿，它也可能形成于宇宙大爆炸后的一個(gè)瞬間。當(dāng)時(shí)有一部分物質(zhì)在巨大的壓力下，被擠壓成極其微小的原初黑洞，它們迄今仍飄流在空間各處。

現(xiàn)代理論學(xué)家認(rèn)為從原初黑洞中可誕生出許多東西。他們說(shuō)，這是可測(cè)得的，但也十分困難。

使用高技術(shù)可以捕捉到一個(gè)閃光的原子，其光譜類(lèi)似于鈣原子，但專家們感到有些不帶勁，因?yàn)楦胀ǖ拟}原子光譜相比，它的頻率有0002％的偏移；詳細(xì)研究后更讓他們驚訝，原來(lái)這顆原子的重量是一般原子的100億億倍!他們見(jiàn)到了一個(gè)大自然的怪胎——黑洞原子。

根據(jù)新南威爾士大學(xué)的V狽ɡ及偷熱說(shuō)目捶ǎ這樣的黑洞原子是存在的，據(jù)他們的理論計(jì)算，這些怪物具有十分奇異的性質(zhì)和效應(yīng)。黑洞原子可能是暗物質(zhì)的組成部分，它們?cè)诤阈侵锌赡芗铀倨浜朔磻?yīng)的過(guò)程，它們有可能告訴我們關(guān)于甚早期宇宙的情景。最令人驚奇的是，它可能就在你的身上，而不為你所覺(jué)察。

在普通原子中，電負(fù)性的電子繞著帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子旋轉(zhuǎn)，后兩種粒子擠壓在僅有原子直徑十萬(wàn)分之一的核中。不知核中的質(zhì)子是否可由別的粒子來(lái)替代，黑洞又是如何來(lái)扮演這一角色的?

天文學(xué)家已在我們自己的銀河系中，找到了幾個(gè)黑洞，它們是大質(zhì)量恒星的殘骸，通過(guò)引力塌縮而形成。它們的重量都為太陽(yáng)的幾倍，而跨度僅幾千米。很難想像這樣的黑洞怎能變成原子?而給類(lèi)星體以能量的巨型黑洞，其質(zhì)量相當(dāng)于10億個(gè)太陽(yáng)，那就更難充當(dāng)這個(gè)角色了。但理論學(xué)家認(rèn)為，在宇宙大爆炸后的瞬間，有大量的微觀黑洞被擠壓而成，正是它們可能成為黑洞原子的核。

要變成原子，黑洞首先須帶上正電荷，就如原子核的模樣。法氏說(shuō)：“它們只要簡(jiǎn)單地吞食帶電粒子就行，但這可能是正或負(fù)電荷，全看它吞食的情況而定。”

但要作為一個(gè)原子核的替身，這個(gè)微黑洞必須十分穩(wěn)定。而據(jù)霍金的理論，黑洞輻射亞原子粒子，因而質(zhì)量減小，且隨著黑洞質(zhì)量的減小，輻射卻日益增大，最終，黑洞的最后殘余在強(qiáng)烈的輻射暴中消失。不過(guò)現(xiàn)在有不少的理論學(xué)家認(rèn)為，黑洞的霍金輻射最終可能停止，而留下一個(gè)微小而穩(wěn)定的黑洞。故黑洞原子的原材料只能是這種最后殘存的微黑洞和原初黑洞。而這兩種黑洞的質(zhì)量，大致上處于普朗克質(zhì)量，即0000 01克左右，而其直徑小到難以置信的10－35米，它們一直飄浮在星際空間的氣體中。若有的微黑洞已吞食了正電荷，這時(shí)它們將去拉住電子云，以中和其正電性，但也有可能這些被拉住的電子卻圍繞著帶正電的微黑洞旋轉(zhuǎn)，一如在原子中電子繞行于原子核。

若此怪物落入地球，它將沉積在巖石中、實(shí)驗(yàn)室的椅子中，甚至進(jìn)入你的心臟。它有什么特征可資識(shí)別呢?

首先，看一看這種超級(jí)原子擁有多少電子?黑洞原子內(nèi)部的電子數(shù)似乎是無(wú)限的，它應(yīng)僅依賴于黑洞的正電荷。這樣看來(lái)，它可能擁有成百萬(wàn)個(gè)電子，但研究表明，事情并非如此，電子數(shù)是受到局限的。

英國(guó)物理學(xué)家狄拉克發(fā)現(xiàn)，在普通原子中，根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，電子不能旋入原子核。雖然電子受到帶電正性的核的吸引，但任何電子若太靠近核時(shí)，它將跑得更快，以致不會(huì)被核拉住。若核帶有大量的正電荷，增大了的拉力將超過(guò)測(cè)不準(zhǔn)原理所產(chǎn)生的影響，此時(shí)又將如何?狄拉克指出：“一顆原子中的電子若超過(guò)137粒，就將失去穩(wěn)定的電子軌道，所有的電子都將湮沒(méi)在核內(nèi)。”

故任何帶(正)電的原初黑洞，不可能擁有137個(gè)以上的電子。任何超過(guò)的數(shù)量，都將在一瞬間被黑洞所吞沒(méi)，以對(duì)消其正電荷。但這不是惟一的局限，任何開(kāi)始時(shí)帶有137個(gè)電子的黑洞，到了今天其數(shù)額都將減少。其實(shí)電子不需旋入核內(nèi)而被吞沒(méi)，一顆電子不是一顆獨(dú)立的小球，它的存在是模糊的，這意味著總有一小部分的電子處在黑洞的視界之內(nèi)，這就使得電子有被吞沒(méi)的可能，故擁有較多電子的黑洞原子，其內(nèi)層電子“活”不了多久就會(huì)被湮沒(méi)掉。按法氏的看法，今天我們?cè)谟钪嬷锌赡芸吹降淖顝?fù)雜的黑洞原子，約具有70顆電子，這相當(dāng)于鐿元素。

若我們真的抓捕到一個(gè)黑洞原子，它會(huì)顯現(xiàn)出哪些特性?一般原子放射出的光波，其波長(zhǎng)取決電子在原子中所占的能級(jí)；但另一方面，電子的運(yùn)動(dòng)也會(huì)稍稍地影響核的擺動(dòng)，這一影響表現(xiàn)在波長(zhǎng)的偏移上。但對(duì)一個(gè)微黑洞原子而言，微黑洞相對(duì)于電子，前者簡(jiǎn)直可看做無(wú)限大，故不會(huì)引起波長(zhǎng)的偏移，這種情況利用現(xiàn)代技術(shù)是能測(cè)出的；若黑洞原子的內(nèi)層電子被吞沒(méi)，將出現(xiàn)一種明顯的效應(yīng)，即黑洞原子有一快速的變化：一個(gè)具有48顆電子的鈣黑洞原子，將自發(fā)地變成銀黑洞原子，這一轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輻射暴。

那么在宇宙中，黑洞原子是大量的還是稀有的呢?法氏等取得一個(gè)最大可能數(shù)目的粗略想法，即宇宙中暗物質(zhì)若全部為黑洞原子所組成，那么從最大限度來(lái)看，每1000億億億個(gè)氫原子中，含有一顆黑洞原子。因此，它比鈾元素少30倍。

無(wú)疑黑洞原子是稀有的東西，而法氏則認(rèn)為并不一定如此。他說(shuō)，最好的辦法是觀測(cè)太陽(yáng)周?chē)鷼怏w中的異常光譜線。當(dāng)然這是一個(gè)很困難的工作，要在無(wú)數(shù)普通原子發(fā)出的光芒中，去尋找那特有的一條光線。

原子中心存在一個(gè)黑洞已是夠稀奇了，而法氏等甚至考慮到一些更為奇異的東西。例如，若一個(gè)微黑洞開(kāi)始時(shí)帶有負(fù)電荷，此時(shí)它在旅途中將不是去奪取電子，而是收集質(zhì)子或原子核。這種“質(zhì)子性”原子可能要比一般原子小2000倍，它是如此之小，以致短程的核力起了作用。若有二個(gè)質(zhì)子繞微黑洞運(yùn)行，它們因靠得很近，實(shí)際上變成了一個(gè)氘核；若繞行的是三個(gè)質(zhì)子，這將觸發(fā)核反應(yīng)而成氦了。這樣，在一般原子的電子軌道中繞行的是中子，而今卻是(原子)核。這種類(lèi)型的黑洞原子，在恒星中形成新元素時(shí)，能起到一種催化劑的作用。

還可能出現(xiàn)更古怪的現(xiàn)象。質(zhì)子與類(lèi)似黑洞相比，可說(shuō)是一個(gè)大物體了，故從黑洞來(lái)看，質(zhì)子并非是一個(gè)單一的物體，而是一個(gè)三夸克組合。“這意味著，質(zhì)子有可能被微黑洞奪去一個(gè)夸克。”這樣，黑洞將帶有荷，而荷是夸克獨(dú)有的性質(zhì)，這個(gè)黑洞無(wú)異于一個(gè)超重夸克。現(xiàn)在再?gòu)耐饷鎭?lái)看這個(gè)超重夸克，我們所見(jiàn)的是兩個(gè)夸克系統(tǒng)繞著微黑洞(即超重夸克)旋轉(zhuǎn)，這又成了一個(gè)超重質(zhì)子了。

若我們能捕捉到這種古怪粒子，則將為夸克相互作用的理論，提供一個(gè)很好的試驗(yàn)場(chǎng)地。不過(guò)，它們是難以抓到的，它們是如此微小，以致可能落在固體的兩個(gè)原子之間，故在地面上是不可能找到的。

但最有意義的是，黑洞原子將為觀測(cè)早期宇宙提供一個(gè)窗口，回溯到宇宙的最初瞬間——10－43秒內(nèi)的情況，這要比任何遺跡(諸如光子、中微子)都要早。根據(jù)卡爾的說(shuō)法，原初黑洞能告訴我們?cè)缙谟钪娴某梢蚯闆r，它們可能保存著甚早期的記憶，當(dāng)時(shí)的自然常數(shù)(反映宇宙狀態(tài))跟今日的不一樣。例如，在某些宇宙模型中，在甚早期宇宙中，引力強(qiáng)度是變化的。殘余黑洞可能在其質(zhì)量值中記錄了這一變化。

當(dāng)然，各種類(lèi)型的微黑洞是如此之小，宇宙空間又是如此之大，而要抓捕由微黑洞形成的黑洞原子當(dāng)然更加困難。法氏對(duì)此卻津津樂(lè)道：“尋找它們是值得一試的，因?yàn)榛貓?bào)是巨大的。”

這使我們想起了黑洞專家惠勒的感嘆：“宇宙要比我們想像的更為奇異!”