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宇宙怪胎：黑洞原子
（2005年02月03日 08:51）
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□作者: 陈壮叔
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陈壮叔
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0002％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0000 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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文章评论(2):
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我不能离开地球吗?试试看!
（2007年03月15日 07:33 - 游客）
如果像氢气球一样,我没什么速度,只不过一直向上升,然道不能离开地球吗?注意我一直往地球引力的反方向上升,而没有外星的其它方向引力!
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能扭曲的是怎样的时空(谭理事）
（2006年08月17日 09:52 - 游客）
本来现实世界任何物质的一点，要确定它都是要无限或可称为无限维，为了人类的理解需要作了简化，最后发现用三垂直轴形成数学模型可完全描述，故称三维空间；爱翁为了描述观察者光中的影象所确定的时间而引入第四维，这就是我们所谓的四维空间。
就是这样一个四维时空，它也是局限于观察者的可见及强引力对这可见的扭曲上。大家都知道，爱翁的后三十年就是想把那不可见的电磁力溶入相对论，但无功而返。更莫说弱相互作用和强相互作用了。现代的科学家已把强弱两种作用和电磁力统一了起来，但它们的不可见性还是无法溶入可见的相对论。
爱翁的相对论以著名的爱因斯坦电梯为实验基础，为物理学开创了思维实验的先河，使物理学从整体意义上升到哲学。尽管到现在对相对论的正误还有激烈的争论，但我相信一个推论能精确验证的理论是正确的。关键在于我们应用它时必须注意它的适用范围，没有理论是万能的。
当爱因斯坦在电梯中把引力质量和惯性质量划等号时，我们必须注意到那一束穿过电梯的光，它的速度是C=30万公里/每秒，如果这电梯在水中，那光速将慢得多，而考虑到水介质的作用，电梯的加速度将更慢。我们的物理学家是应该好好学学爱翁，把爱因斯坦电梯在各种介质中的情况研究透，毕竟干一行要爱一行，总要要对得起自己的饭碗嘛，这些麻烦事可不是我这样业余爱好者干的。
爱翁的相对论因时空扭曲被证实而扬名天下。但这时空并没有电磁力的影子，更无强弱两种作用; 我们从相对论的天文实证观测和相对论中那不变的永远的30万公里/每秒的光速可以断定，爱翁的能扭曲的时空是真空！
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