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黑洞原子  

2013-07-22 11:46:01|  分类: 【天文星系】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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黑洞原子 - 无边的爱 - 怡神仙居

 

  20纪70年代,霍金提出了“黑洞不黑”的原理,这是说黑洞并非只吞食物质和辐射的“天体”,它同时也蒸发出粒子和辐射,此称霍金辐射。霍金在黑洞理论上还提出了一个新的概念——原初黑洞。黑洞不光是大质量恒星燃尽核燃料后的归宿,它也可能形成于宇宙大爆炸后的一个瞬间。当时有一部分物质在巨大的压力下,被挤压成极其微小的原初黑洞,它们迄今仍飘流在空间各处。
  现代理论学家认为从原初黑洞中可诞生出许多东西。他们说,这是可测得的,但也十分困难。
  使用高技术可以捕捉到一个闪光的原子,其光谱类似于钙原子,但专家们感到有些不带劲,因为跟普通的钙原子光谱相比,它的频率有0002%的偏移;详细研究后更让他们惊讶,原来这颗原子的重量是一般原子的100亿亿倍!他们见到了一个大自然的怪胎——黑洞原子。
  根据新南威尔士大学的V法兰巴等人的看法,这样的黑洞原子是存在的,据他们的理论计算,这些怪物具有十分奇异的性质和效应。黑洞原子可能是暗物质的组成部分,它们在恒星中可能加速其核反应的过程,它们有可能告诉我们关于甚早期宇宙的情景。最令人惊奇的是,它可能就在你的身上,而不为你所觉察。
  在普通原子中,电负性的电子绕着带正电的质子和不带电的中子旋转,后两种粒子挤压在仅有原子直径十万分之一的核中。不知核中的质子是否可由别的粒子来替代,黑洞又是如何来扮演这一角色的?
  天文学家已在我们自己的银河系中,找到了几个黑洞,它们是大质量恒星的残骸,通过引力塌缩而形成。它们的重量都为太阳的几倍,而跨度仅几千米。很难想像这样的黑洞怎能变成原子?而给类星体以能量的巨型黑洞,其质量相当于10亿个太阳,那就更难充当这个角色了。但理论学家认为,在宇宙大爆炸后的瞬间,有大量的微观黑洞被挤压而成,正是它们可能成为黑洞原子的核。
  要变成原子,黑洞首先须带上正电荷,就如原子核的模样。法氏说:“它们只要简单地吞食带电粒子就行,但这可能是正或负电荷,全看它吞食的情况而定。”
  但要作为一个原子核的替身,这个微黑洞必须十分稳定。而据霍金的理论,黑洞辐射亚原子粒子,因而质量减小,且随着黑洞质量的减小,辐射却日益增大,最终,黑洞的最后残余在强烈的辐射暴中消失。不过现在有不少的理论学家认为,黑洞的霍金辐射最终可能停止,而留下一个微小而稳定的黑洞。故黑洞原子的原材料只能是这种最后残存的微黑洞和原初黑洞。而这两种黑洞的质量,大致上处于普朗克质量,即0000 01克左右,而其直径小到难以置信的10-35米,它们一直飘浮在星际空间的气体中。若有的微黑洞已吞食了正电荷,这时它们将去拉住电子云,以中和其正电性,但也有可能这些被拉住的电子却围绕着带正电的微黑洞旋转,一如在原子中电子绕行于原子核。
  若此怪物落入地球,它将沉积在岩石中、实验室的椅子中,甚至进入你的心脏。它有什么特征可资识别呢?
  首先,看一看这种超级原子拥有多少电子?黑洞原子内部的电子数似乎是无限的,它应仅依赖于黑洞的正电荷。这样看来,它可能拥有成百万个电子,但研究表明,事情并非如此,电子数是受到局限的。
  英国物理学家狄拉克发现,在普通原子中,根据海森堡测不准原理,电子不能旋入原子核。虽然电子受到带电正性的核的吸引,但任何电子若太靠近核时,它将跑得更快,以致不会被核拉住。若核带有大量的正电荷,增大了的拉力将超过测不准原理所产生的影响,此时又将如何?狄拉克指出:“一颗原子中的电子若超过137粒,就将失去稳定的电子轨道,所有的电子都将湮没在核内。”
  故任何带(正)电的原初黑洞,不可能拥有137个以上的电子。任何超过的数量,都将在一瞬间被黑洞所吞没,以对消其正电荷。但这不是惟一的局限,任何开始时带有137个电子的黑洞,到了今天其数额都将减少。其实电子不需旋入核内而被吞没,一颗电子不是一颗独立的小球,它的存在是模糊的,这意味着总有一小部分的电子处在黑洞的视界之内,这就使得电子有被吞没的可能,故拥有较多电子的黑洞原子,其内层电子“活”不了多久就会被湮没掉。按法氏的看法,今天我们在宇宙中可能看到的最复杂的黑洞原子,约具有70颗电子,这相当于镱元素。
  若我们真的抓捕到一个黑洞原子,它会显现出哪些特性?一般原子放射出的光波,其波长取决电子在原子中所占的能级;但另一方面,电子的运动也会稍稍地影响核的摆动,这一影响表现在波长的偏移上。但对一个微黑洞原子而言,微黑洞相对于电子,前者简直可看做无限大,故不会引起波长的偏移,这种情况利用现代技术是能测出的;若黑洞原子的内层电子被吞没,将出现一种明显的效应,即黑洞原子有一快速的变化:一个具有48颗电子的钙黑洞原子,将自发地变成银黑洞原子,这一转变会产生一个辐射暴。
  那么在宇宙中,黑洞原子是大量的还是稀有的呢?法氏等取得一个最大可能数目的粗略想法,即宇宙中暗物质若全部为黑洞原子所组成,那么从最大限度来看,每1000亿亿亿个氢原子中,含有一颗黑洞原子。因此,它比铀元素少30倍。
  无疑黑洞原子是稀有的东西,而法氏则认为并不一定如此。他说,最好的办法是观测太阳周围气体中的异常光谱线。当然这是一个很困难的工作,要在无数普通原子发出的光芒中,去寻找那特有的一条光线。
  原子中心存在一个黑洞已是够稀奇了,而法氏等甚至考虑到一些更为奇异的东西。例如,若一个微黑洞开始时带有负电荷,此时它在旅途中将不是去夺取电子,而是收集质子或原子核。这种“质子性”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。若有二个质子绕微黑洞运行,它们因靠得很近,实际上变成了一个氘核;若绕行的是三个质子,这将触发核反应而成氦了。这样,在一般原子的电子轨道中绕行的是中子,而今却是(原子)核。这种类型的黑洞原子,在恒星中形成新元素时,能起到一种催化剂的作用。
  还可能出现更古怪的现象。质子与类似黑洞相比,可说是一个大物体了,故从黑洞来看,质子并非是一个单一的物体,而是一个三夸克组合。“这意味着,质子有可能被微黑洞夺去一个夸克。”这样,黑洞将带有荷,而荷是夸克独有的性质,这个黑洞无异于一个超重夸克。现在再从外面来看这个超重夸克,我们所见的是两个夸克系统绕着微黑洞(即超重夸克)旋转,这又成了一个超重质子了。
  若我们能捕捉到这种古怪粒子,则将为夸克相互作用的理论,提供一个很好的试验场地。不过,它们是难以抓到的,它们是如此微小,以致可能落在固体的两个原子之间,故在地面上是不可能找到的。
  但最有意义的是,黑洞原子将为观测早期宇宙提供一个窗口,回溯到宇宙的最初瞬间——10-43秒内的情况,这要比任何遗迹(诸如光子、中微子)都要早。根据卡尔的说法,原初黑洞能告诉我们早期宇宙的成因情况,它们可能保存着甚早期的记忆,当时的自然常数(反映宇宙状态)跟今日的不一样。例如,在某些宇宙模型中,在甚早期宇宙中,引力强度是变化的。残余黑洞可能在其质量值中记录了这一变化。
  当然,各种类型的微黑洞是如此之小,宇宙空间又是如此之大,而要抓捕由微黑洞形成的黑洞原子当然更加困难。法氏对此却津津乐道:“寻找它们是值得一试的,因为回报是巨大的。”
  这使我们想起了黑洞专家惠勒的感叹:“宇宙要比我们想像的更为奇异!”
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