探索物質的本元：從奇點到LHC

陳壯叔

目前的宇宙學界，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。嚴格說來，它是一個理論上的產物。但現代科學相信它的存在，這是從它極強的引力效應中驗證到的。

1916年，愛因斯坦建立了他的廣義相對論。實質上，這是一種新的引力理論，當時極為轟動。可以毫不夸張地說，現代物質文明，是建立在兩大物理理論——相對論和量子論——基礎上的。

就在廣義相對論發表幾個月后，德國天文學家卡爾·史瓦西對愛因斯坦的方程做出一個解，得出了黑洞這一奇怪的天體。據說，愛因斯坦相當尷尬，他承認史瓦西的解正確無誤，卻不相信黑洞的真實存在。

史瓦西的黑洞，結構很簡單，由一個奇點和視界組成，視界是一個包圍著奇點的球面，而奇點即為這個球體的中心。它有極強的引力，以致任何東西（包括光）一旦落入視界，就永遠無法逃出。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，就永遠消失。宇宙學界之所以寵愛黑洞，是因為宇宙的創生大爆炸源于一個奇點，理論家只能在理論上追溯宇宙的起點。而今黑洞中有著現成的奇點，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。屆時它將平靜地“死”去，留下一顆密實（達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，其表面溫度達幾十萬攝氏度。

天上的星星，肉眼看上去都是一個個的小點，其實有的星球體積可達太陽的20倍，甚至100倍。就拿體積20倍于太陽的星球來說，其死亡（即星球內部核燃料耗盡）時又是怎樣的？此時，這顆巨星的星核在引力的作用下不斷向內擠壓，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、質子、中子，直至輕子、夸克、膠子。這樣一直下去，越來越小、越密實，直到無人知道的程度。此時，這個天體就變成了一個黑洞。

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

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家，提出了黑洞不黑的理論。簡單說來，黑洞內部的物質可通過量子論中的墜落效應逃離黑洞。霍金自此一炮打響，聞名于世。此后，黑洞的性質得到進一步發掘。

經過一代人的努力，黑洞終于變成廣為接受的思想。現在認為，黑洞在宇宙中相當普遍，可能有幾十億個。

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超巨型黑洞，其質量估計為450萬個太陽。我們

稱之為人馬座A*，距我們26 000光年。它是一個安靜的黑洞，但沒有人能保證它會一直安靜下去。據天文界觀察，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年的時間，G2將接近其視界。

現在有關的天文機構都忙碌起來，正如哈格得（英國西北大學）所說：“這可能是我們了解黑洞吞食的最佳機會，因為它離我們較近。”他們已將最新型的儀器對準人馬座A*，那是美國航空航天局（NASA）的核光譜望遠鏡陣列（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出的強烈輻射。2014年，它探測到來自人馬座A*的爆發，那

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

在過去的10年中，還有兩顆X射線衛星一直關注著銀心。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，有一個甚強輻射來自人馬座A*。”現在還說不清其起因，因為望遠鏡的分辨率還不夠。

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

了解黑洞的行為有助于我們知悉宇宙的構造。向黑洞快速飛去的物質，勢必產生大量的摩擦熱；黑洞還自轉著，這基本上是一個空間的旋渦。摩擦熱跟自轉相結合，就導致大量物質落入黑洞。

吸積盤中的高溫物質形成噴流，猛向空間射去，以近光速離開黑洞。這種噴流往往長數百萬光年，筆直地穿越一個星系。從另一方面來說，黑洞攪拌了星系中心的老星球，并將這一過程產生的熱氣體遠送到星系的外圍區域，它們逐漸冷卻、凝聚，最終產生新的星球。這一過程可以使星系永遠保持活力。

還有兩個問題也值得一提。人們往往認為黑洞的引力強度是無限的，其實不然。一個黑洞的真空能絕不可能大于通常的星球，它應該擁有跟其質量相對應的引力。如果我們的太陽突然變成黑洞，它將保持同樣的質量，而其直徑將縮短至6.4千米，地球將變得黑暗而寒冷，但它的繞日軌道依舊不變。這個太陽黑洞仍跟過去（全尺度）一樣，以同樣的引力抓住地球。

第二個問題是時間與黑洞的關系。就如愛因斯坦陳述的那樣，時間也受到引力的影響。若你將一臺時鐘置于高樓每一層的地板上，你將看到它們的走時速率是不同的。在較低的樓層（即較接近地心）引力較強一點，故鐘的走時較慢。可是沒有人發覺，因為這個差別太小了，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，但科學家確信如此，這就是引力戰勝了時間。

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

那么進入黑洞后，你自己又將感到什么呢？人馬座A*很大，從奇點至視界足有1300萬千米。當你越過視界，有可能此時會出現火墻（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。

但相對論預言，當你越過視界時什么事也不會發生；實際上，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底。隨著你向中心（即奇點）的落入，引力越來越強。若你的腳先進入黑洞，你將感到腳上受到的引力比頭部強，越是深入，二者之間的差異越大。最終你將被撕裂。物理學家把這一過程稱為面條化。

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

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？是的，現在要追加一段新的發現和創見。

2012年11月22日，天文學家在離我們8400萬光年處，觀察到了一個超新星爆發（SN 2009ip）。可是，這一天體在幾個星期前已經發生過超新星爆發，而一個天體不可能連續發生超新星爆發。因此，人們大惑不解。

加拿大卡爾加里大學的烏依得（R.Ouyed）卻處之泰然。他認為，這不是超新星爆發，而是一種更奇怪的天文現象，標志著一顆夸克星的猛烈誕生。這是一個宇宙怪物，之前僅出現于一些物理學家的方程中。現在，它真實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的基本結構。

1984年，理論物理學家惠頓（E.Witten）首先對夸克星做出了論述。他認為，質子和中子并不是最穩定的形態，它們由更小的實體組成，即夸克，共有六種。這里將談及三種（即上、下和奇異夸克）。惠頓認為，夸克具有較低的凈能量，因此十分穩定。

當一顆比太陽重得多的星球耗盡燃料時，其內核就會爆炸，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，帶著一個鐵質的星殼飛快地自轉著，產生很強的磁場。這就使它消耗能量，越轉越慢，以致牽制引力的離心力開始減弱，引力就進一步擠壓星球物質。

一個瞬間，中子物質就變成了夸克。它們是一團上、下和奇異夸克的濃湯。按理說，這種現象是很少發生的。但在中子星那樣高密、高溫的條件下，終于產生了夸克星。

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

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

一些物理學家說，若夸克星確實存在，那么它將是獨有的天體物理實驗室，有助于我們理解物質的根本性質，而這正是宇宙學家探測創生大爆炸奇點的一個重要目的。

盡管黑洞中的這個奇點目前仍是一個謎，但科學界依然高歌猛進，他們轉向人類自身的智慧。你還記得嗎？2013年歐洲核子研究所的大型強子對撞機（LHC）在實驗室中找到了希格斯粒子，這是科學家希格斯早就預言過的粒子，正是它賦予物質以質量。現在，歐洲核子研究所的科學家雄心勃勃，他們已對LHC進行了大規模的改裝、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子迎面相碰，此時產生的能量高達8×106兆電子伏特，質子全被碰碎，在無數碎片中，他們終于找到了希格斯粒子。在大自然中，該粒子出現在宇宙創生大爆炸后的10-12秒。而到2015年，改裝后的LHC將產生109兆電子伏特的能量，遠沒有達到萬有理論（即電磁力，強、弱力和引力）的能量。更多的物理學家認為，目前宇宙學的標準模型只是一個更大理論的組成部分，該理論將把四種力統一起來，并使我們了解各個能量尺度上的物質特性。這個萬有理論對應的能量，應該在1018兆電子伏特或更高，出現在大爆炸后的10-36秒內。因此，原始物質究竟是何種模樣，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，但物理學家還是很興奮，他們期待新的碰撞實驗，期待看到一些意外的現象。我們跟他們一樣，只能期待。