黑洞的量子「肖像」

黑洞是宇宙中謎一樣的天體。它的謎主要集中在其中心，也就是我們通常所說的奇點上。按照傳統的看法，奇點是體積為零、密度無窮大的點，一切物理定律在那裡統統失效，因此奇點物質的組成是我們永遠也無法獲知的。

但是上世紀末，粒子物理學上興起一種叫圈量子的理論，這個理論認為，時間和空間不是無限可分的，它們都有自己的最小單位。空間的最小單位是普朗克體積，1普朗克體積約為10-99立方厘米。把該理論應用於黑洞，那麼奇點的體積再小也不能小於1個普朗克體積。但至於在這麼小的尺度，物質以什麼形式存在，這個理論同樣無法告訴我們。

不過，事情或許遠非那麼神秘。最近，兩位歐洲科學家提出一種新的假說，認為奇點中的物質很可能以目前地球上已知的一種狀態而存在。但話又說回來，這種物質狀態雖說已知，跟日常生活還是八竿子打不著的，目前還只能出現在物理學家的實驗室里。物質的這種存在形式就是玻色-愛因斯坦凝聚態。

微觀粒子的兩大陣營

在宏觀世界裡，有很多轉動的物體，自轉的地球即是一例。物理學上，是用角動量來描述轉動的。

微觀粒子也有自轉，不過一般稱之為自旋。同一種類的粒子具有相同的自旋。例如，所有質子都有相同的自旋，所有光子的自旋也都相同。此外，微觀粒子的自旋是量子化的，即只能取普朗克常數的整數或半整數倍，0、1/2、1、3/2……等等。

有趣的是，自旋為整數的粒子和自旋為半整數的粒子在過「集體生活」的時候，竟然表現迥異。前者喜歡抱成團，後者則喜歡「獨處」。便於區別起見，物理學家把自旋為整數的粒子叫玻色子，自旋為半整數的粒子叫費米子。組成物質的粒子，像夸克、質子和電子等，都是費米子，而傳遞相互作用力的粒子，比如光子、膠子和設想中的引力子，以及最近發現的希格斯粒子，都是玻色子。

為了讓你了解玻色子和費米子行為的不同，不妨打個形象的比喻。假設有很多一模一樣的房間，現在要安排一群粒子住進去。假如是玻色子，那麼它們傾向於同住在一起，所以你會發現，最後它們全擠在了一個房間里——因為在這種狀態，整個系統的能量最低。而要是費米子呢，則傾向於每人各佔一個房間，哪怕你一開始是讓它們同住在一起的，最後也要各自分開。

宏觀量子效應

玻色子這種喜歡「群居」的習性，在物理學上稱為玻色-愛因斯坦凝聚。是印度物理學家玻色最先提出，後經愛因斯坦完善推廣才被廣泛接受的一種量子效應。

處於玻色-愛因斯坦凝聚態的粒子們會表現出步調一致，整齊劃一的集體行為來，在那種狀態下，單個原子的行為跟整個原子團的行為完全一致。於是，整群原子就彷彿是一個超原子。

單個的原子屬於微觀世界，物理學家可以通過量子力學來描述它；要是大量的原子聚集在一起，那已經算宏觀物體了。但有意思的是，因為在玻色-愛因斯坦凝聚態下，原子團的行為跟單個原子的行為完全一致，所以宏觀的原子團依然會表現出微觀世界中的量子行為來。人們稱這種現象為宏觀量子效應。

在常溫下，玻色-愛因斯坦凝聚是很難發生的，因為熱運動的干擾，原子之間步調一致的狀態很容易被破壞；只有當溫度接近絕對零度、原子的運動速度足夠慢時，它才會發生，並維持較長的時間。

得益於美國華裔物理學家朱棣文等人發明的激光冷卻技術，近年來人們已經在許多自旋為0的原子上實現了玻色-愛因斯坦凝聚，參與凝聚的原子可達成百上千個。而且事實上，超導中的電阻消失現象、超流體中的無摩擦現象，也都是微觀粒子處於玻色-愛因斯坦凝聚態時所表現出來的宏觀量子效應。

黑洞的玻色-愛因斯坦凝聚

就連黑洞在某種程度上也表現出宏觀量子效應。英國物理學家霍金早在1970年代就提出，黑洞在緩慢地蒸發。雖然人們至今也沒有觀察到過真實黑洞的蒸發，但去年物理學家在實驗室通過聲學黑洞的模擬，證明這種蒸發可能的確存在。

黑洞的蒸發其實是一種量子效應。通常的液體，蒸發會使之溫度降低，蒸發速度也逐漸慢下來。可是黑洞的蒸發卻與日常經驗唱反調，蒸發反而會使黑洞的溫度上升，並且蒸發得會越來越快（這也是我們不用怕在歐洲大型強子對撞機上製造出微型黑洞的原因之一，因為即便製造出來，這麼小的黑洞很快就蒸發了）。對於這一現象，物理學家一直找不到一個合理的解釋。

既然目前觀察到的宏觀量子效應都來自玻色-愛因斯坦凝聚，於是這兩位歐洲物理學家就提出一種猜想：黑洞奇點中的物質或許就是大量處於玻色-愛因斯坦凝聚態的引力子。

他們是這樣解釋黑洞蒸發的：那些處於玻色-愛因斯坦凝聚的引力子由於量子世界的不確定性，不可避免要發生量子漲落，從而不斷逃離黑洞；每跑走一個引力子，都會讓餘下的引力子抱得更緊密（這也是玻色-愛因斯坦凝聚的一個特點），下一個引力子需要更大的能量才能掙脫集體的束縛。在外部的觀察者看來，跑出黑洞的粒子能量越來越高了，於是就以為黑洞的溫度在升高。這就好比說，在燒開水的時候，如果冒出的水汽越來越燙，我們就可以得出結論說壺裡的水溫度在上升一樣。

通向量子引力的橋樑？

傳統的觀點認為，大質量的恆星燃燒到一定時候，會在自身引力作用下發生坍縮；如果質量足夠大，坍縮會不可遏制地進行下去，中心最後會變成一個密度無限大的點。它周圍的引力強到足以能把光線囚禁其中。

而按照新的假說，黑洞內部的坍縮進行到一定程度，所有物質都將被擠壓成沒有靜止質量的引力子，它們靠強大的引力束縛在一起。引力子是玻色子，再加上奇點足夠緻密，溫度足夠低，就很可能會發生玻色-愛因斯坦凝聚。因為此時的狀態能量最低，要想繼續坍縮就變得不可能，所以奇點體積不會為零，也不會小到普朗克體積的程度。這就是黑洞的量子「肖像」。

在理論上，黑洞一直讓物理學家左右為難：就其對時空的彎曲來說，它得用廣義相對論去描述；但就黑洞奇點比微觀粒子還小這一點來說，它又要借用量子力學去描述；而糟糕的是，廣義相對論和量子力學至今還水火不容，一個能集兩者於一身的理論一直在「難產」之中。

兩位物理學家希望他們所提供的黑洞的這幅量子「肖像」能對量子引力理論的建立有所幫助。

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