探索物质的“原点”现代的物质文明,是建立在

1916年,爱因斯坦建立了他的广义相对论。实质上,这是一种新的引力理论,当时极为轰动。可以毫不夸张地说,现代物质文明,是建立在两大物理理论——相对论和量子理学——基础上的。

就在广义相对论发表几个月后,德国天文学家卡尔·史瓦西对爱因斯坦的方程做出一个解,得出了黑洞这一奇怪的天体。据说,爱因斯坦相当尴尬,他承认史瓦西的解正确无误,却不相信黑洞的真实存在。

史瓦西的黑洞,结构很简单,由一个奇点和视界组成,视界是一个包围着奇点的球面,而奇点即为这个球体的中心。它有极强的引力,以致任何东西(包括光)一旦落入视界,就永远无法逃出。就这样,视界跟宇宙的其余部分完全分隔。任何事物落入黑洞,就永远消失。宇宙学界之所以宠爱黑洞,是因为宇宙的创生大爆炸源于一个奇点,理论家只能在理论上追溯宇宙的起点。而今黑洞中有着现成的奇点,不是正好成为最佳的样本吗?

按目前恒星演化的理论,例如太阳(也即恒星中的主序星),它出生于46亿年前,大概还能再活上50亿年。届时它将平静地“死”去,留下一颗密实(达109克/厘米3至1011克/厘米3)的星核。天文界把这种天体称为白矮星,其表面温度达几十万摄氏度。

天上的星星,肉眼看上去都是一个个的小点,其实有的星球体积可达太阳的20倍,甚至100倍。就拿体积20倍于太阳的星球来说,其死亡(即星球内部核燃料耗尽)时又是怎样的?此时,这颗巨星的星核在引力的作用下不断向内挤压,一块喜马拉雅山大小的铁块一下被挤压成一颗沙粒大小,温度升高到1000亿摄氏度。原子皆碎裂成电子、质子、中子,直至轻子、夸克、胶子。这样一直下去,越来越小、越密实,直到无人知道的程度。此时,这个天体就变成了一个黑洞。

不过,史瓦西的黑洞自提出以来一直被认为是科学珍闻,不为科学界真正接受。直到1967年美国物理学家J.惠勒对黑洞做了较为系统的论述,才使它成了响名。就在这个时期,有关黑洞的思想有了很大的变化,这主要得益于新的观测技术。在天文观测上,过去一直局限于可见光,至20世纪60年代,X射线望远镜和射电望远镜开始被广泛应用,这就使得天文学家看到了过去看不到的天文现象。

这里还要简略地介绍一下霍金。这位带着病痛的年轻物理学家,提出了黑洞不黑的理论。简单说来,黑洞内部的物质可通过量子论中的坠落效应逃离黑洞。霍金自此一炮打响,闻名于世。此后,黑洞的性质得到进一步发掘。

经过一代人的努力,黑洞终于变成广为接受的思想。现在认为,黑洞在宇宙中相当普遍,可能有几十亿个。

尤其是一些超巨型黑洞,它们对宇宙的演化显然起着重要作用。首先,大多数星系的中心都有这种黑洞。例如,在银河系中心就躲藏着一个超巨型黑洞,其质量估计为450万个太阳。我们

称之为人马座A*,距我们26 000光年。它是一个安静的黑洞,但没有人能保证它会一直安静下去。据天文界观察,人马座A*开始有胃口了,它目前正拉着一块气体云G2以每秒2880千米的速度向它奔去,不到1年的时间,G2将接近其视界。

现在有关的天文机构都忙碌起来,正如哈格得(英国西北大学)所说:“这可能是我们了解黑洞吞食的最佳机会,因为它离我们较近。”他们已将最新型的仪器对准人马座A*,那是美国航空航天局(NASA)的核光谱望远镜阵列(Nu SATR)。它于2012年升空,能测到高能X射线辐射,即盘旋在黑洞边缘的高温气体发出的强烈辐射。早在2014年,它探测到来自人马座A*的爆发,那可能是盘旋着的气体桂林律师事务所穿过磁场时发出的极明亮的闪光,或者是有可能产生一条狭长的能量射流。

在过去的10年中,还有两颗X射线卫星一直关注着银心。哈格得说:“我们从这些观测回溯过去,从而得知在最近的100年前,有一个甚强辐射来自人马座A*。”现在还说不清其起因,因为望远镜的分辨率还不够。

了解黑洞的行为有助于我们知悉宇宙的构造。向黑洞快速飞去的物质,势必产生大量的摩擦热;黑洞还自转着,这基本上是一个空间的旋涡。摩擦热跟自转相结合,就导致大量物质落入黑洞。

吸积盘中的高温物质形成喷流,猛向空间射去,以近光速离开黑洞。这种喷流往往长数百万光年,笔直地穿越一个星系。从另一方面来说,黑洞搅拌了星系中心的老星球,并将这一过程产生的热气体远送到星系的外围区域,它们逐渐冷却、凝聚,最终产生新的星球。这一过程可以使星系永远保持活力。

还有两个问题也值得一提。人们往往认为黑洞的引力强度是无限的,其实不然。一个黑洞的真空能绝不可能大于通常的星球,它应该拥有跟其质量相对应的引力。如果我们的太阳突然变成黑洞,它将保持同样的质量,而其直径将缩短至6.4千米,地球将变得黑暗而寒冷,但它的绕日轨道依旧不变。这个太阳黑洞仍跟过去(全尺度)一样,以同样的引力抓住地球。

第二个问题是时间与黑洞的关系。就如爱因斯坦陈述的那样,时间也受到引力的影响。若你将一台时钟置于高楼每一层的地板上,你将看到它们的走时速率是不同的。在较低的楼层(即较接近地心)引力较强一点,故钟的走时较慢。可是没有人发觉,因为这个差别太小了,仅为10-9秒。

若有人走近人马座A*的视界,只要他不穿过去,那么他在那里待的1分钟,在地球上将是1000年。这很难令人相信,但科学家确信如此,这就是引力战胜了时间。

若你穿越了视界,又将会怎样呢?在视界外面的某位观察者看来,你没有掉进去,而是待在视界边上,且一直如此。

那么进入黑洞后,你自己又将感到什么呢?人马座A*很大,从奇点至视界足有1300万千米。当你越过视界,有可能此时会出现火墙(量子论的看法),它从里面一直延伸到视界的上方,无疑你将被烧毁。

但相对论预言,当你越过视界时什么事也不会发生;实际上,你只是丢失了宇宙的其余部分,你还一切完好。黑洞很深,但它有底,不过你无法活着看到这个底。随着你向中心(即奇点)的落入,引力越来越强。若你的脚先进入黑洞,你将感到脚上受到的引力比头部强,越是深入,二者之间的差异越大。最终你将被撕裂。物理学家把这一过程称为面条化。

迄今,黑洞中心(奇点)仍是一个谜,在这个极端的地方,相对论和量子论皆失去效力。它被想象成极小之点,即使放大亿万倍还是难以看到,却重得难以想象。科学界相信其存在,可是不知道其内部是什么。

从恒星演化到黑洞,已无法再演化了,可是怎么没有看到中子星的出现?是的,现在要追加一段新的发现和创见。

早在2012年11月22日,天文学家在离我们8400万光年处,观察到了一个超新星爆发(SN 2009ip)。可是,这一天体在几个星期前已经发生过超新星爆发,而一个天体不可能连续发生超新星爆发。因此,人们大惑不解。

加拿大卡尔加里大学的乌依得(R.Ouyed)却处之泰然。他认为,这不是超新星爆发,而是一种更奇怪的天文现象,标志着一颗夸克星的猛烈诞生。这是一个宇宙怪物,之前仅出现于一些物理学家的方程中。现在,它真实地存在于宇宙的原野上。

这一天文事件的意义巨大。它可能有助于解决一些神秘问题,诸如伽马射线暴、重元素在宇宙中的形成,它还可能使我们更好地了解物质的基本结构。

早在1984年,理论物理学家惠顿(E.Witten)首先对夸克星做出了论述。他认为,质子和中子并不是最稳定的形态,它们由更小的实体组成,即夸克,共有六种。这里将谈及三种(即上、下和奇异夸克)。惠顿认为,夸克具有较低的净能量,因此十分稳定。

当一颗比太阳重得多的星球耗尽燃料时,其内核就会爆炸,它的外层将被射向空间,最后留下的是一颗中子星。从名字就可以知道,该星主要由中子组成,带着一个铁质的星壳飞快地自转着,产生很强的磁场。这就使它消耗能量,越转越慢,以致牵制引力的离心力开始减弱,引力就进一步挤压星球物质。

一个瞬间,中子物质就变成了夸克。它们是一团上、下和奇异夸克的浓汤。按理说,这种现象是很少发生的。但在中子星那样高密、高温的条件下,终于产生了夸克星。

乌依得说,根据他们的模拟,这一转变(中子物质到夸克)是一个非常激烈的过程,星球的内核变得难以置信的密实,并出现反弹,产生冲击波,这跟超新星的爆发过程十分类似。SN 2009ip于2016年8月初第一次大爆发,但40多天后,又产生大闪烁。乌依得等相信,他们目击了夸克星的产生。

他们认为,在夸克星中,夸克能自由地处于高密度和低温的条件中,而不是像处在质子中那样被束缚在一起。

一些物理学家说,若夸克星确实存在,那么它将是独有的天体物理实验室,有助于我们理解物质的根本性质,而这正是宇宙学家探测创生大爆炸奇点的一个重要目的。

尽管黑洞中的这个奇点目前仍是一个谜,但科学界依然高歌猛进,他们转向人类自身的智慧。你还记得吗?早在2013年欧洲核子研究所的大型强子对撞机(LHC)在实验室中找到了希格斯粒子,这是科学家希格斯早就预言过的粒子,正是它赋予物质以质量。现在,欧洲核子研究所的科学家雄心勃勃,他们已对LHC进行了大规模的改装、升级,使之大幅度地提高碰撞能量。

他们让高速飞奔的质子迎面相碰,此时产生的能量高达8×106兆电子伏特,质子全被碰碎,在无数碎片中,他们终于找到了希格斯粒子。在大自然中,该粒子出现在宇宙创生大爆炸后的10-12秒。而到2015年,改装后的LHC将产生109兆电子伏特的能量,远没有达到万有理论(即电磁力,强、弱力和引力)的能量。更多的物理学家认为,目前宇宙学的标准模型只是一个更大理论的组成部分,该理论将把四种力统一起来,并使我们了解各个能量尺度上的物质特性。这个万有理论对应的能量,应该在1018兆电子伏特或更高,出现在大爆炸后的10-36秒内。因此,原始物质究竟是何种模样,没有人能回答,甚至猜想都很困难。按目前的理论,电子、夸克、中微子是不可分的。而按量子理论学家普朗克告诉我们的,最小的空间间隔为10-33厘米,这要比电子等基本粒子小得多!

尽管升级版的LHC的能量离原初宇宙还很远,但物理学家还是很兴奋,他们期待新的碰撞实验,期待看到一些意外的现象。我们跟他们一样,只能期待。

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