利用原子碰撞實驗模擬宇宙大爆炸證明原初黑洞

【摘 要】本文通過兩束接近光速的金原子核迎面相撞來造成瞬間的能量爆發，模擬宇宙大爆炸最初時間內的情況，并且在此時，通過檢測和計算射線的含量驗證原初黑洞是否存在。有的理論認為原初黑洞的引力會將物質吸引合并，形成最初的星系，但至于最早的黑洞是否具有足夠大的質量形成星系，仍是個未知數。然而通過實驗，就能得出結論。

【關鍵詞】原初黑洞 粒子碰撞 宇宙大爆炸

【中圖分類號】P145.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）26-0188-02

一 作品背景、創意來源

原初黑洞是很早就被預言的一類黑洞，但是卻至今沒有直接證據能證明原初黑洞的存在。在宇宙大爆炸的初期，宇宙空間急劇膨脹，但是并不完全均勻，以至于某些區域的密度過大，甚至成為黑洞。這與恒星崩塌產生的黑洞不同，原初黑洞并沒有那么大的質量。由霍金的理論可以得知，黑洞的質量越小，蒸發的速度越快，因此，原初黑洞很可能瞬間蒸發，而來不及被觀察到。就輻射譜而言，黑洞與有溫度的物體完全一樣，而黑洞所對應的溫度，則正比于黑洞視界的重力強度。換言之，黑洞的溫度取決于它的大小。若黑洞只比太陽的幾倍重，它的溫度大約只比絕對零度高出億分之一度，而更大的黑洞溫度甚至更低。因此這類黑洞所發出的量子輻射，一律會被大爆炸所留下的2.7度輻射（宇宙背景輻射）完全淹沒，因此很難被觀測到。而原初黑洞由于壽命很短，其發出的量子輻射很容易就被忽視了，即使周圍物質受到吸引而產生X射線，也會因為太弱而無法確定了。因此原初黑洞一直是科學界無法證明的一個可能的存在，而最近本人在《環球科學》的一本天文學專刊中，看到了一次科學界重大的革命。數百位科學家齊聚美國，利用“相對論性重離子對撞機”（Relativistic Heavy Ion Collider，縮寫為RHIC），讓兩束接近光速運行的金原子迎頭碰撞，相對論重離子對撞機可以強力粉碎金離子，使得中子等粒子可以分解成組成它的夸克和膠子，進而產生出熾熱和致密的物質能量爆發，模擬了大爆炸最初幾秒內發生的情況。這個實驗給了我啟發，可以通過模擬的宇宙大爆炸來證明是否存在原初黑洞，并且進而證明是否是原初黑洞產生的引力使得星系形成。

二 該領域國內外研究現狀或解決方案及其優缺點

2005年3月18日英國《衛報》報道，美國布朗大學物理教授霍拉蒂·納斯塔西在地球上制造出了第一個“人造黑洞”。

2009年10月15日，《科學》雜志宣布，世界上第一個“人造黑洞”在中國東南大學實驗室里誕生。不過，這個小型“黑洞”不僅不會毀滅世界，還能幫助人們更好地吸收太陽能。這些“人造黑洞”只是能證明黑洞的存在，而不能純粹證明原初黑洞的存在及性質。當比太陽更大的特定恒星在生命最后階段發生爆炸時，自然界就會形成黑洞。它們將大量物質濃縮在非常小的空間內。假設在大型強子對撞機內的質子相撞產生粒子的過程中，形成了微小黑洞，每個質子擁有的能量可跟一只飛行中的蚊子相當。天文學上的黑洞比大型強子對撞機能產生的任何東西的質量更重。據愛因斯坦的相對論描述的重力性質，大型強子對撞機內不可能產生微小黑洞。然而一些純理論預言大型強子對撞機能產生這種粒子產品。所有這些理論都預測大型強子對撞機產生的此類粒子會立刻分解，因此它產生的黑洞將沒時間濃縮物質，產生肉眼可見的結果。

三 作品核心創意

利用RHIC將金原子核以接近光速對撞在一起，進而知道類似大爆炸最初幾微秒的環境，每一場對撞都是一場微型大爆炸。金原子以接近光速移動，因為相對論效應而變得扁平，夸克和膠子被禁錮在質子和中子內部。原子核中的粒子彼此碰撞和穿越，留下了一片高度激發的區域，夸克和膠子在其中覺醒，之后，夸克和膠子的等離子體完全形成，溫度也達到最高點，這時巨大壓力使這個體系迅速膨脹，模擬出宇宙大爆發的瞬間。在這一瞬間，檢測是否能產生出原初黑洞。

由于黑洞的密度極大，根據公式：密度=質量/體積，可以知道，為了讓黑洞密度無限大，那就要求黑洞的體積要無限小，然后質量要無限大，這樣才能成為黑洞。正常的黑洞是由一些恒星“滅亡”后所形成的死星，它的質量極大，體積極小。但黑洞也有滅亡的那天，按照霍金的理論，在量子物理中，有一種名為“隧道效應”的現象，即一個粒子的場強分布雖然盡可能讓能量低的地方較強，但即使在能量相當高的地方，黑洞噴射物不斷變亮，場強仍會有分布，對于黑洞的邊界來說，這就是一堵能量相當高的勢壘，但是粒子仍有可能出去。霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低與黑洞的質量成反比例。也就是說，大黑洞溫度低，蒸發也微弱；小黑洞的溫度高，蒸發也強烈，類似劇烈的爆發。一個太陽大的黑洞，大約要1066年才能蒸發殆盡；一顆小行星大小的黑洞會在10-21秒內蒸發得干干凈凈。而像原初黑洞一樣的黑洞，則會在幾乎不能觀測的一瞬間消耗殆盡，因此不能通過一般的手段，而要通過觀測射線的輻射。隨著對其他旋渦星系的研究，科學家們發現：那些釋放能量最多的黑洞，可以在數千光年的尺度上影響它的宿主星系。在物質落入黑洞的過程中，會發出強烈的紫外線和X射線，驅使熱氣體向外運動，掃過星系中恒星的形成區域。因而可以通過檢測超強的X射線來尋找原初黑洞。

X射線的性質：（1）不可見、以直線傳播、不帶電、不受電場和磁場的影響，與可見光一樣，可以反射、折射、透射、干涉、繞射等。但是反射是漫散射，折射也不像可見光那樣能觀察到。（2）穿透能力強，可穿透肌肉、骨骼、金屬，被吸收后能產生熱量。（3）能感光、能使某些物質產生熒光作用，X射線的探測可基于多種方法。最普通的一種方法叫做照相底板法，這種方法在醫院里經常使用。將一片照相底片放置于人體后，X射線穿過人體內軟組織（皮膚及器官）后會照射到底片，令這些部位于底片經顯影后保留黑色；X射線無法穿過人體內的硬組織，如骨或其他被注射含鋇或碘的物質，底片于顯影后會顯示成白色。光激影像板因子位化容易，在少部分醫院已以之取代傳統底片。另一方法是利用X光照在特定材質上所產生的熒光，如碘化鈉（NaI）。科學研究上，除了使用X光CCD，也利用X光游離氣體的特性，使用氣體游離腔作為X光強度之偵測。這些方法只能顯示出X射線的光子密度，但無法顯示出X射線的光子能量。X光光子的能量通常以晶體使X光衍射再依布拉格定律（Bragg's law）決定。目前普遍認為人眼是看不見X光的，而且幾乎所有的X光的使用者都認為這是事實。然而嚴格地說，這實際上是不正確的，在特殊的情況下，肉眼實際上是可以看見X光的。

四 創意可行性分析

鑒于用金原子碰撞來模擬宇宙大爆炸初期情況的實驗已經完成，所以實驗部分應該難度不太大，但是國內的粒子對撞機可能達不到美國相對論性重離子對撞機的水平。在檢測X射線的部分，則可能會有一些問題出現，在金原子束碰撞的時候，最后階段夸克和膠子重新結合成的強子會以光速飛出，射向探測器的途中會發生一些衰變，少量衰變成光子，高能介子、電子和其他粒子，因而可能會產生對檢測X射線有影響的射線。而且，由于兩束金原子對碰，可能產生的原初黑洞也會很微乎其微，其產生的X射線量也會很少，因此需要敏感的探測劑來探測原生黑洞產生的X射線。

五 作品或創意應用前景

此次實驗能客觀地證明原初黑洞的存在，并且能推測出是否是原初黑洞的引力將物質吸引合并，形成最初的星系。此次實驗會讓關于黑洞的研究更進一步，星系早期的情景更生動地再現，并且為相對論和量子力學在這方面的內容，加以修正和完善。實驗要求的精準度也會客觀地加速粒子對撞機的發展和完善，同時讓人們更深入地了解了生命的起源，宇宙的起源。

參考文獻

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〔責任編輯：高照〕