一個奇特的猜想:黑洞可能本來就是一種巨大的基本粒子?

2020-12-17 天文同好樂園

現代粒子物理學已經讓我們對物質的構成有了基本的認識。在19世紀,科學家發現許多熟悉的物質如氧和碳都由一種可以識別的最小組成單元構成,他們稱之為「原子」,意為「不可分割的」。但到了20世紀30年代,由湯姆遜、盧瑟福、玻爾和查德威克等物理學家的工作,證明了原子遠不是構成物質的最基本成分,原子有一個包含著質子和中子的核,核外還圍繞著一群旋轉的電子。

到了1968年,粒子加速器的實驗進一步證明了質子和中子又是由3個更小的粒子構成,這些粒子被稱作「夸克」。我們在天地間看到的一切事物似乎都是由電子和夸克組合而成的,沒有實驗證據說明它們是由更小的東西構成,這就是「基本粒子」的概念。隨著粒子物理學的發展,被發現的基本粒子的種類越來越多,如中微子、μ子、τ子等等,但到目前為止它們都有一個基本的特徵,那就是不可再分。

簡單說完基本粒子的概念,再簡單說說黑洞。黑洞的概念最早可以追溯到1799年,當時的天文學家拉普拉斯提出了一條原理:一個重物體的吸引力有可能非常之大,甚至連光都無法從它那裡發出來。乍看上去似乎很難理解,但你只要懂一點「逃逸速度」的概念就不難理解了。比如說,要逃離地球引力的束縛,需要的最低速度是V=11.2千米/秒,如果低於這個速度,那麼就不可能逃出地球引力束縛,或者被迫繞地球軌道旋轉,或者被地心引力拉回地球。

同樣的道理,如果一個天體的質量超大,它的逃逸速度V達到或超過了光速C,即V=C或V大於C,在這種情況下,組成光的基本粒子光子就無法逃離這個天體,那麼這樣的天體就稱為「黑洞」。黑洞是被愛因斯坦的廣義相對論從數學上證明存在的一種特殊天體,現在已被實際觀測證明確實存在。在黑洞的內部,各種物理條件都達到了極致,以至於當代兩大物理學支柱廣義相對論和量子力學都無法窺視它內部的奧秘。但物理學家們意識到,如果能揭開黑洞深藏的奧秘,那麼也許就能揭開宇宙起源之謎。

乍看起來,黑洞屬於宏觀物體,是天體的巨無霸,而基本粒子屬於微觀物體,無比微小,我們很難想像出還有哪兩樣東西能比黑洞和基本粒子有更大的差別。但是,這僅是在我們看來是這樣,而在一些專門研究黑洞的物理學家看來,似乎並不是這樣。許多物理學家如克爾、羅賓森、霍金和彭羅斯等等,發現黑洞和基本粒子之間的差別並沒有表面看起來那麼懸殊,他們的根據和證據就是約翰·惠勒的「黑洞無毛」理論。

惠勒的「黑洞無毛」所表達的意思是:除了少數可以區別的特徵外,所有的黑洞看起來都是相像的。可以區別的特徵包括黑洞的質量、攜帶的電荷和力荷以及自旋的速度,就這幾樣。任何兩個黑洞,如果有相同的質量、力荷和自轉,那麼它們就是完全相同的。也就是說,黑洞沒有可以明顯區分的「髮型」,沒有別的內在的特徵可以將它們區分開來。

對黑洞的這種情形有沒有似曾相識的感覺?沒錯,基本粒子也是這樣的!區分各種不同基本粒子,也沒有其他的辦法,只能通過質量、力荷和自旋將它們區別開來。因為在這種決定性特徵上的相似,許多物理學家經過多年的研究,現在形成了一個奇特的猜想:黑洞可能本來就是巨大的基本粒子!這可能嗎?確實有可能。

實際上,根據愛因斯坦的理論,黑洞並沒有極小質量的限制,任何質量的一團物質,如果被擠壓得足夠小,就能直接用廣義相對論證明它可以成為一個黑洞——質量越小,被擠壓得也就越小。但最大的問題是,如果確實存在微型黑洞,似乎可以與基本粒子掛上鉤,但天體物理學上的恆星級黑洞和星系級黑洞都無比巨大,僅僅和基本粒子在特性上相似,就說它們可能是基本粒子是很難讓人信服的。但現在的弦理論家們相信,假以時日,他們可以通過弦理論在黑洞和基本粒子之間建立起一個合理的理論聯繫。

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