四川
斯蒂芬·霍金在1974年提出了一個讓整個物理學界既興奮又沮喪的預言：黑洞會蒸發(fā)，最終爆炸。
興奮，是因為這個理論把量子力學和廣義相對論兩大物理支柱第一次真正地縫合在了一起。沮喪，是因為五十年過去了，沒有人能在望遠鏡里找到任何證據(jù)。
現(xiàn)在，這個局面可能要改變了。
這不是又一次遙遠的理論展望，而是一個可以用現(xiàn)有設備去驗證的具體預言。
研究中涉及的黑洞，不是那種由大質(zhì)量恒星死亡坍縮形成的普通黑洞，而是一類叫做原初黑洞的特殊天體。
原初黑洞被認為誕生于宇宙大爆炸之后不到一秒的時間內(nèi)。那時候的宇宙溫度和密度高得難以想象，物質(zhì)分布的微小漲落在引力作用下直接坍縮，形成了質(zhì)量遠小于恒星黑洞的微型黑洞。它們至今仍是假想中的天體，從未被直接觀測到，但理論上不僅可能存在，而且可能大量存在，甚至可能就是構成宇宙中那些神秘暗物質(zhì)的候選者之一。
霍金輻射理論正是在原初黑洞身上最有可能得到驗證。
根據(jù)這個理論，在黑洞事件視界附近，量子效應會導致成對的粒子短暫出現(xiàn)，其中一個粒子逃逸，另一個落入黑洞，黑洞因此緩慢損失質(zhì)量。關鍵在于，黑洞越小，這個過程越快，溫度越高，輻射越強，蒸發(fā)加速，形成一個正反饋循環(huán)，最終以一場猛烈的爆炸告終，釋放出大量高能伽馬射線。
大質(zhì)量黑洞的蒸發(fā)時間遠超宇宙年齡，完全無法觀測。但原初黑洞質(zhì)量極小，理論上如今正有一批原初黑洞處于最終爆炸階段，就等著被發(fā)現(xiàn)。
問題在于，過去幾十年里，物理學家普遍認為這類爆炸極其罕見，大約十萬年才會發(fā)生一次，現(xiàn)有望遠鏡在有限的觀測時間內(nèi)幾乎沒有機會捕捉到。
這也是為什么馬薩諸塞大學團隊的新工作讓人眼前一亮。
研究團隊引入了一個名為"暗量子電動力學模型"的推測性理論框架，試圖解釋為什么原初黑洞爆炸可能比此前估計的更容易被觀測到。
普通的量子電動力學描述光和帶電粒子如何通過光子相互作用，是現(xiàn)代物理學中被驗證最精確的理論之一。這個新模型在此基礎上設想了一種隱藏的相互作用力，涉及假想的暗粒子，包括暗光子和具有更大質(zhì)量的暗電子。
在這個框架下，原初黑洞可以攜帶一種特殊的"暗電荷"。這種暗電荷能夠暫時穩(wěn)定黑洞，大幅減緩蒸發(fā)過程，讓黑洞的壽命遠超理論預期。黑洞在這段被延長的壽命里積累到今天，然后在某個時刻放電，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樽詈唵蔚臒o電荷黑洞模型，隨即加速蒸發(fā)并爆炸。
壽命被延長這一點，是整個預測發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變的關鍵。
研究合著者、馬薩諸塞大學阿默斯特分校物理學助理教授安德里亞·塔姆解釋說，黑洞越輕，溫度越高，釋放的粒子越多，蒸發(fā)越快，最終爆炸時釋放的正是望遠鏡能夠捕捉到的霍金輻射。
如果這個預測成真，其意義很難用"重大"兩個字來形容。
首先，這將是霍金輻射的第一次直接觀測。這個理論提出了五十年，至今沒有任何實驗或觀測證據(jù)，它的存在完全依賴于理論推導。一旦被觀測到，它將成為量子力學與引力理論走向統(tǒng)一的最強有力支撐之一，也是霍金本人最重要的科學遺產(chǎn)終于得到實證的時刻。
這將首次確認原初黑洞真實存在。原初黑洞長期以來只是理論猜想，它與暗物質(zhì)之間的關聯(lián)也因此懸而未決。爆炸產(chǎn)生的輻射譜中，可能包含此前從未被觀測到的粒子信息，為暗物質(zhì)研究提供全新的觀測線索。
當然，這項研究建立在一個尚未被證實的理論框架之上。暗量子電動力學模型本身是推測性的，暗光子和暗電子是否存在，目前沒有任何直接證據(jù)。90%的概率預測也依賴于這套模型對原初黑洞數(shù)量分布的假設是否成立。
但這恰恰是這項研究最有價值的地方：它把一個此前幾乎無法檢驗的理論，轉(zhuǎn)化成了一個在現(xiàn)有技術條件下可以被驗證或證偽的具體預言。望遠鏡已經(jīng)在天空中運轉(zhuǎn)，答案可能比我們想象的更近。
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