拜拜，黑洞

仉博簡(jiǎn)

如果黑洞并不存在，那么銀河系中心那里會(huì)有什么？

黑洞帶來的問題

黑洞是宇宙中最吸引人的怪物。這些永不滿足的宇宙暴食者，是愛因斯坦的廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)言，但其概念非常簡(jiǎn)單。根據(jù)廣義相對(duì)論，有質(zhì)量的物質(zhì)能彎曲時(shí)空，而引力就是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。一個(gè)質(zhì)量足夠大、密度足夠高的物質(zhì)，能使周圍的時(shí)空嚴(yán)重彎曲，產(chǎn)生的引力如此之強(qiáng)，以至于任何東西，甚至光，都無法從中逃逸。

然而，黑洞的存在會(huì)導(dǎo)致許多嚴(yán)重的理論問題。

廣義相對(duì)論認(rèn)為，黑洞內(nèi)所有的物質(zhì)都會(huì)被壓成一個(gè)體積為零的、密度無窮大的“奇點(diǎn)”。然而，沒人能理解奇點(diǎn)會(huì)是什么樣的，因?yàn)楫?dāng)前的物理學(xué)還無法處理無窮大的問題。

與此同時(shí)，物理學(xué)家的計(jì)算表明，物質(zhì)掉進(jìn)黑洞后，所攜帶的信息也隨之被摧毀，但這在量子力學(xué)中是不允許的。如果要讓黑洞不破壞信息，那么黑洞的事件視界（即黑洞的邊界）上必須存在一個(gè)被稱為“火墻”高能區(qū)域，任何落向黑洞的物體最終都會(huì)撞到“火墻”并被燒掉，但這卻與廣義相對(duì)論沖突。廣義相對(duì)論認(rèn)為，黑洞的事件視界上以及附近的時(shí)空是光滑的，一位觀測(cè)者穿過事件視界時(shí)不會(huì)注意到有任何變化，所以不應(yīng)該有什么“火墻”。

這些問題早在20世紀(jì)60年代就開始顯現(xiàn)出來了，所以理論學(xué)家一直在爭(zhēng)論黑洞是否真的存在。但隨后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多表明黑洞存在的間接證據(jù)。

遍布宇宙的黑洞

根據(jù)廣義相對(duì)論，一顆大質(zhì)量恒星燃料耗盡時(shí)，它能在自身的引力下坍縮成一個(gè)黑洞。黑洞本身是不發(fā)光的，很難與漆黑的太空背景區(qū)分開來，但黑洞周圍通常有高溫氣體圍繞，這些氣體通常會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的輻射，天文學(xué)家可以通過尋找這種現(xiàn)象來定位黑洞。例如在1964年，天文學(xué)家就在天鵝座附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很強(qiáng)的X射線源，它被稱之為天鵝座X-1。其X射線被認(rèn)為是黑洞周圍高溫氣體輻射出的。經(jīng)過大量的觀測(cè)后，天文學(xué)家在20世紀(jì)70年代最終確認(rèn)，天鵝座X-1就是黑洞。

此外，在早期的宇宙中，當(dāng)巨大的星云坍縮形成星系時(shí)，其中心區(qū)域的氣體會(huì)變得極為密集，最終會(huì)形成超大質(zhì)量黑洞，每個(gè)黑洞的質(zhì)量可達(dá)太陽質(zhì)量的數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍。20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，銀河中心有一個(gè)非常明亮以及致密的無線電波源，被稱為人馬座A*，隨后的研究，特別是對(duì)周圍附近恒星運(yùn)動(dòng)軌跡的觀測(cè)，使天文學(xué)家相信，那里存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的400萬倍。

而在2015年9月，借助美國(guó)的兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱LIGO），人類首次檢測(cè)到了引力波。這個(gè)引力波被認(rèn)為是兩個(gè)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的，所以說這個(gè)發(fā)現(xiàn)使得黑洞的存在更加令人信服。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道黑洞可能遍布宇宙各處：巨大的恒星會(huì)坍縮為黑洞，兩個(gè)大質(zhì)量天體碰撞也可能產(chǎn)生黑洞，在許多星系的中心還躲藏著超大質(zhì)量黑洞。

另一種假想的天體

那么，基于這么多的天文學(xué)觀測(cè)，是不是就可以確定黑洞是存在的？事實(shí)上并不是。因?yàn)?，物理學(xué)家還提出了一種假想的天體，它本質(zhì)上與黑洞完全不同，而且不會(huì)帶來理論上的嚴(yán)重問題，但卻能產(chǎn)生與黑洞相同的觀測(cè)結(jié)果。它就是玻色子星。

為了理解玻色子星，我們首先來了解一些粒子物理學(xué)的知識(shí)。

從我們自身以及身邊的事物，到行星、恒星等物質(zhì)，它們都是由一種被叫做費(fèi)米子的粒子構(gòu)成的。中子、質(zhì)子、電子等粒子都屬于費(fèi)米子。費(fèi)米子主要特點(diǎn)是遵守泡利不相容原理，即在一個(gè)系統(tǒng)中不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的費(fèi)米子處于完全相同的狀態(tài)。例如，原子中不允許有兩個(gè)量子狀態(tài)完全相同的電子，這樣電子不是隨意地?fù)頂D在一起，而會(huì)形成一個(gè)有規(guī)律的分布結(jié)構(gòu)，而這就是為什么各種化學(xué)元素具有不同的電子分布的原因。

玻色子卻完全不同—它們不遵守泡利不相容原理。最為著名的玻色子之一，就是2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子，它能賦予其他基本粒子以質(zhì)量。而其他玻色子，能攜帶使費(fèi)米子發(fā)生相互作用的力。例如，光子就是一種玻色子，它能攜帶電磁力，使得帶電的費(fèi)米子發(fā)生相互作用。

因?yàn)椴Ｉ硬蛔袷嘏堇幌嗳菰恚鼈兛梢詳D在一起，而且沒有限制。那么，玻色子是否可以形成如恒星那么大的星體呢？1955年，美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒就考慮過一個(gè)星體是否可以完全由光子構(gòu)成。但物理學(xué)家經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，由光子等這種自旋為1的玻色子構(gòu)成的星體是不穩(wěn)定的，最終會(huì)蒸發(fā)掉。

到了20世紀(jì)60年代，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家大衛(wèi)·考普發(fā)現(xiàn)，自旋為0的玻色子可以形成一個(gè)穩(wěn)定的星體。但在當(dāng)時(shí)，并沒有發(fā)現(xiàn)自旋為0的玻色子。直到2012年7月4日，希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)了。希格斯玻色子就是一種自旋為0的玻色子，這個(gè)給予了那些相信玻色子星存在的物理學(xué)家一個(gè)巨大的鼓舞。

但還有一個(gè)很大的問題需要解決。分析表明，玻色子的質(zhì)量越小，它們形成的星體質(zhì)量就越大。質(zhì)量非常大的玻色子星意味著它是由質(zhì)量非常小的玻色子構(gòu)成的。然而，希格斯玻色子質(zhì)量卻很大，大約是電子質(zhì)量的25萬倍。不過，還存在著一個(gè)可能的候選者—軸子。軸子是一種假想的玻色子，早在20世紀(jì)70年代就被提了出來，最初是為了解決某些其他的物理學(xué)問題而提出來的一個(gè)新概念。理論預(yù)測(cè)軸子的質(zhì)量極微小，只有電子質(zhì)量的5千億分之一到5千萬分之一，而且電荷和自旋都是0。軸子還被認(rèn)為是組成暗物質(zhì)的候選粒子。

雖然還沒有找到軸子或其他自旋為零的玻色子，但是如果能發(fā)現(xiàn)玻色子星的話，那么通過對(duì)其觀測(cè)，就可以分析出構(gòu)成該星體的玻色子具有何種性質(zhì)，進(jìn)而能幫助科學(xué)家在地球的實(shí)驗(yàn)室中找到這種玻色子。

黑色的甜甜圈

那么，玻色子星會(huì)是什么樣的？

當(dāng)普通物質(zhì)在引力的作用下坍縮成恒星時(shí)，溫度會(huì)升高，最終使物質(zhì)發(fā)生核聚變，產(chǎn)生出光線。相比之下，玻色子星只會(huì)聚在一起，不會(huì)引發(fā)核聚變，也不發(fā)光。模擬表明，如果玻色子星像傳統(tǒng)恒星一樣旋轉(zhuǎn)，離心力會(huì)使它變?yōu)橹锌盏沫h(huán)狀，就像甜甜圈那種形狀。endprint

自己不發(fā)光，所以玻色子星將是看不見的，留下的只是它們強(qiáng)大的引力?？梢钥闯?，玻色子星如果質(zhì)量很大的話，那么它們能產(chǎn)生與黑洞類似的觀測(cè)效果。也許，之前我們認(rèn)為是黑洞的天體，可能是玻色子星。

那么，我們?cè)趺磁袛嘁粋€(gè)觀測(cè)對(duì)象是黑洞還是玻色子星？

LIGO就有可能就能探測(cè)到玻色子星。兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波與兩個(gè)玻色子星產(chǎn)生的引力波，雖然很相似，但仍有著細(xì)微的差別。有差別的地方不是在合并前的階段，而是合并之后。合并之后的黑洞或玻色子星還會(huì)產(chǎn)生一股逐漸衰減的引力波，就像剛敲過的鐘或三角鐵產(chǎn)生的聲波一樣。鐘聲與三角鐵的聲音聽起來不相同。同樣，合并之后黑洞產(chǎn)生的引力波與玻色子星產(chǎn)生的引力波也是不同的，都有著各自的音色。

但不幸的是，這種差別會(huì)很小，當(dāng)前的LIGO還沒能力分辨清楚兩種引力波的區(qū)別。也許，通過不斷對(duì)LIGO進(jìn)行升級(jí)最終可以做到這一點(diǎn)，但這可能需要再等好幾年。

給銀河系中心拍個(gè)照

沒耐心？別著急，最終的結(jié)果可能馬上就會(huì)得到。

2017年4月，世界各地的天文學(xué)家做了一個(gè)重要的天文觀測(cè)：給黑洞拍攝第一張照片。這個(gè)項(xiàng)目叫做“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，主要是把分布在世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡結(jié)合起來，互相協(xié)調(diào)并同時(shí)觀測(cè)同一目標(biāo)，然后記錄數(shù)據(jù)，形成一個(gè)口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡。觀測(cè)的主要目標(biāo)，是位于銀河系中心的人馬座A*。拍攝總共進(jìn)行了10天，但是把照片處理出來，得等到2017年年底或2018年年初。

而事件視界望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該能搞清楚人馬座A*是黑洞還是玻色子星。

當(dāng)然，該觀測(cè)計(jì)劃最終拍攝出的照片可能很模糊。不過，參與其中的研究人員表示，事件視界望遠(yuǎn)鏡不僅能拍到那里產(chǎn)生輻射的高溫氣體，如果那里真的有黑洞的話，那么黑洞本身的形狀也能在周圍物質(zhì)的映襯下顯現(xiàn)出來。也就是說，照片的中央存在一個(gè)黑色的洞。

但如果照片的中央出現(xiàn)的是一個(gè)黑色的甜甜圈，那這可能就表明，人馬座A*其實(shí)是一顆質(zhì)量巨大的玻色子星。

當(dāng)事件視界望遠(yuǎn)鏡的第一張圖像最終呈現(xiàn)出來時(shí)，大多數(shù)科學(xué)家并不期待任何驚喜。“恐怕只是一個(gè)無聊的黑洞而已?！币晃粎⑴c事件視界望遠(yuǎn)鏡的研究人員說到。因?yàn)榇蠹覍?duì)黑洞有著很深的信念，即使是那些從事玻色子星的研究人員也承認(rèn)，黑洞更有可能存在。

但如果最終拍攝到的不是黑洞，而是玻色子星或其他什么的話，會(huì)給現(xiàn)有理論一個(gè)很大的沖擊，它迫使物理學(xué)重新審視相關(guān)的理論，并可能催生出全新的理論。所以，我們對(duì)結(jié)果最好保持開放的心態(tài)。endprint