黑洞的量子“肖像”

黑洞是宇宙中谜一样的天体。它的谜主要集中在其中心，也就是我们通常所说的奇点上。按照传统的看法，奇点是体积为零、密度无穷大的点，一切物理定律在那里统统失效，因此奇点物质的组成是我们永远也无法获知的。

但是上世纪末，粒子物理学上兴起一种叫圈量子的理论，这个理论认为，时间和空间不是无限可分的，它们都有自己的最小单位。空间的最小单位是普朗克体积，1普朗克体积约为10-99立方厘米。把该理论应用于黑洞，那么奇点的体积再小也不能小于1个普朗克体积。但至于在这么小的尺度，物质以什么形式存在，这个理论同样无法告诉我们。

不过，事情或许远非那么神秘。最近，两位欧洲科学家提出一种新的假说，认为奇点中的物质很可能以目前地球上已知的一种状态而存在。但话又说回来，这种物质状态虽说已知，跟日常生活还是八竿子打不着的，目前还只能出现在物理学家的实验室里。物质的这种存在形式就是玻色-爱因斯坦凝聚态。

微观粒子的两大阵营

在宏观世界里，有很多转动的物体，自转的地球即是一例。物理学上，是用角动量来描述转动的。

微观粒子也有自转，不过一般称之为自旋。同一种类的粒子具有相同的自旋。例如，所有质子都有相同的自旋，所有光子的自旋也都相同。此外，微观粒子的自旋是量子化的，即只能取普朗克常数的整数或半整数倍，0、1/2、1、3/2……等等。

有趣的是，自旋为整数的粒子和自旋为半整数的粒子在过“集体生活”的时候，竟然表现迥异。前者喜欢抱成团，后者则喜欢“独处”。便于区别起见，物理学家把自旋为整数的粒子叫玻色子，自旋为半整数的粒子叫费米子。组成物质的粒子，像夸克、质子和电子等，都是费米子，而传递相互作用力的粒子，比如光子、胶子和设想中的引力子，以及最近发现的希格斯粒子，都是玻色子。

为了让你了解玻色子和费米子行为的不同，不妨打个形象的比喻。假设有很多一模一样的房间，现在要安排一群粒子住进去。假如是玻色子，那么它们倾向于同住在一起，所以你会发现，最后它们全挤在了一个房间里——因为在这种状态，整个系统的能量最低。而要是费米子呢，则倾向于每人各占一个房间，哪怕你一开始是让它们同住在一起的，最后也要各自分开。

宏观量子效应

玻色子这种喜欢“群居”的习性，在物理学上称为玻色-爱因斯坦凝聚。是印度物理学家玻色最先提出，后经爱因斯坦完善推广才被广泛接受的一种量子效应。

处于玻色-爱因斯坦凝聚态的粒子们会表现出步调一致，整齐划一的集体行为来，在那种状态下，单个原子的行为跟整个原子团的行为完全一致。于是，整群原子就仿佛是一个超原子。

单个的原子属于微观世界，物理学家可以通过量子力学来描述它；要是大量的原子聚集在一起，那已经算宏观物体了。但有意思的是，因为在玻色-爱因斯坦凝聚态下，原子团的行为跟单个原子的行为完全一致，所以宏观的原子团依然会表现出微观世界中的量子行为来。人们称这种现象为宏观量子效应。

在常温下，玻色-爱因斯坦凝聚是很难发生的，因为热运动的干扰，原子之间步调一致的状态很容易被破坏；只有当温度接近绝对零度、原子的运动速度足够慢时，它才会发生，并维持较长的时间。

得益于美国华裔物理学家朱棣文等人发明的激光冷却技术，近年来人们已经在许多自旋为0的原子上实现了玻色-爱因斯坦凝聚，参与凝聚的原子可达成百上千个。而且事实上，超导中的电阻消失现象、超流体中的无摩擦现象，也都是微观粒子处于玻色-爱因斯坦凝聚态时所表现出来的宏观量子效应。

黑洞的玻色-爱因斯坦凝聚

就连黑洞在某种程度上也表现出宏观量子效应。英国物理学家霍金早在1970年代就提出，黑洞在缓慢地蒸发。虽然人们至今也没有观察到过真实黑洞的蒸发，但去年物理学家在实验室通过声学黑洞的模拟，证明这种蒸发可能的确存在。

黑洞的蒸发其实是一种量子效应。通常的液体，蒸发会使之温度降低，蒸发速度也逐渐慢下来。可是黑洞的蒸发却与日常经验唱反调，蒸发反而会使黑洞的温度上升，并且蒸发得会越来越快（这也是我们不用怕在欧洲大型强子对撞机上制造出微型黑洞的原因之一，因为即便制造出来，这么小的黑洞很快就蒸发了）。对于这一现象，物理学家一直找不到一个合理的解释。

既然目前观察到的宏观量子效应都来自玻色-爱因斯坦凝聚，于是这两位欧洲物理学家就提出一种猜想：黑洞奇点中的物质或许就是大量处于玻色-爱因斯坦凝聚态的引力子。

他们是这样解释黑洞蒸发的：那些处于玻色-爱因斯坦凝聚的引力子由于量子世界的不确定性，不可避免要发生量子涨落，从而不断逃离黑洞；每跑走一个引力子，都会让余下的引力子抱得更紧密（这也是玻色-爱因斯坦凝聚的一个特点），下一个引力子需要更大的能量才能挣脱集体的束缚。在外部的观察者看来，跑出黑洞的粒子能量越来越高了，于是就以为黑洞的温度在升高。这就好比说，在烧开水的时候，如果冒出的水汽越来越烫，我们就可以得出结论说壶里的水温度在上升一样。

通向量子引力的桥梁？

传统的观点认为，大质量的恒星燃烧到一定时候，会在自身引力作用下发生坍缩；如果质量足够大，坍缩会不可遏制地进行下去，中心最后会变成一个密度无限大的点。它周围的引力强到足以能把光线囚禁其中。

而按照新的假说，黑洞内部的坍缩进行到一定程度，所有物质都将被挤压成没有静止质量的引力子，它们靠强大的引力束缚在一起。引力子是玻色子，再加上奇点足够致密，温度足够低，就很可能会发生玻色-爱因斯坦凝聚。因为此时的状态能量最低，要想继续坍缩就变得不可能，所以奇点体积不会为零，也不会小到普朗克体积的程度。这就是黑洞的量子“肖像”。

在理论上，黑洞一直让物理学家左右为难：就其对时空的弯曲来说，它得用广义相对论去描述；但就黑洞奇点比微观粒子还小这一点来说，它又要借用量子力学去描述；而糟糕的是，广义相对论和量子力学至今还水火不容，一个能集两者于一身的理论一直在“难产”之中。

两位物理学家希望他们所提供的黑洞的这幅量子“肖像”能对量子引力理论的建立有所帮助。