黑洞或由夸克聚变形成而“奇点定理”难以成立的证据
——兼述暗物质、暗能量及正反物质“不对称”问题*
张海鹏1,2，3，韩经纬1,3,4，王志湖1,2，干政1,3.5，张丹参6
（1.涿鹿县医院放射医学与应用物理研究所，张家口075600；
2.涿鹿县医院神经外科五病区（脑脊髓肿瘤病区），张家口075600；
3.珠穆朗玛太学堂（Qomolangma Ultra-university，QUU）北冀州祖冲之-郭守敬格致学术研究院粒子宇宙学研究所(筹)，张家口075600；
4.北京朝野环境科技有限公司计算物理实验室，北京100089；
5.中国科学技术大学少年班，安徽合肥230026；
6.河北科技大学，石家庄050018）
张海鹏信箱：heapprenzcomhard@163.com；15101152180@163.com
*河北省人力资源和社会保障厅“三三三人才工程”项目（No.202019990508）
摘要：提出黑洞由夸克聚变形成而“奇点定理”难以成立的八个方面的证据。提出电荷守恒的本质可能就是正反物质粒子之对称，而宇宙正反物质“不对称”的问题——不一定存在。
关键词：黑洞；聚变，夸克；反物质；暗物质；暗能量
讨论黑洞及宇宙暗物质、暗能量、正反物质“不对称”问题。
1.关于黑洞
2020年，彭罗斯（Roger Penrose）因其从数学上证明的黑洞“奇点定理”获诺氏物理奖；所谓奇点就是体积无限小、密度无限大的点，然而，量子力学已经明确：不存在比10-35米（普朗克尺度）更小的点[1]。而黑洞的密度远比中子星的密度更大，此提示黑洞是由比中子更深层的粒子组成；基于此，笔者于2013年提出，超大质量黑洞是由携带三分之一电子电荷的正、负基本夸克组成的原始夸克星[1]。兹再述其证据如下：
（1）2014年，著名的《自然》杂志发表的美国伯克利国家实验室和德国普朗克射电天文学研究所研究人员对星系中心超大质量黑洞的探测研究结果: 首次发现了黑洞的磁场; 已观测的76 个黑洞———包括银河系中心的超大质量黑洞———的磁场和其万有引力场一样强［2,3］．而中性的黑洞“奇点”是不会产生磁场的！此是黑洞由带e/3最基本电荷的正、负最基本夸克构成［1］的有力证据［3］，而此前尽管也有夸克星的概念被提出，但认为是由“奇异夸克”组成的,其最大质量也仅限于太阳的17.9倍[4]而无法解释超大质量黑洞及中等质量黑洞，因此须比“奇异夸克”更基本的、带最基本电荷的正、负单夸克构型[3]。
（2）以美国哈佛-施密森天体物理中心Schild 为首的三人小组通过14 台望远镜对距地球90 亿光年的类星体Q0957 +561进行观测发现,这个类星体核心（被公认是超大质量黑洞）是由一个密度很大的等离子体球组成， 这是表明整个黑洞模式（奇点）不正确的第一个证据（此已发表在2006 年7 月的Astronomical Journal ）[5]。而此“密度很大的等离子体球”——客观上支持正负基本夸克构成的夸克星-黑洞而非“奇点”黑洞。
（3）2020年芬兰学者证明迄今发现的最大的中子星的核心由夸克组成（论文发表在《自然·物理学》杂志）[6]。此客观上亦支持夸克星的存在。
（4）超新星爆发而产生黑洞过程中的超高频光子及令人震惊的总能量支持夸克聚变：纳米比亚的一个专业天文台记录了迄今为止的伽马射线暴 (GRB) 中能量最高的辐射，即10亿年前大质量恒星坍塌为黑洞过程中发出的伽马射线；可以确定GRB 190829A的光谱高达3.3TeV（10的12次方电子伏特）的能量（是可见光的光子能量的一万亿倍）[7]，此已发表在著名的《科学》杂志。无独有偶，一个国际天文学家团队已经从70亿年前超新星爆发的伽马射线暴GRB 190114C中检测到了TeV级能量的光子（已发表在著名的《自然杂志》）[8,9，27],而需注意的是，如此高频的光子能量还是70亿年间宇宙空间膨胀中光子波长被拉长（红移）之后的结果！宇宙中普通能量（频率）的伽马射线最常见于恒星的核（子）聚变，而上述两个伽马射线暴的极高频率光子很可能是黑洞形成过程中正负夸克“聚变”（更强的电磁场势能）时向低能级跃迁而辐射的。因此可视为黑洞由夸克聚变而成的特异性较高的证据。
伽马暴GRB 190114C在几秒钟内释放的能量比太阳100亿年核聚变释放能量的总和还多[7]！尽管我们对伽马暴的过程与机理仍无十分详尽的理解［10］，但是，比核（子）聚变更深层的聚变——夸克聚变为对伽玛暴如此令人震惊的能量提供了新的视角[3]。
（5）反面证据：如果黑洞由所谓奇点组成，其形成奇点之后立即就爆炸了（类似于“宇宙大爆炸”），就不会存在黑洞这种天体。
上述的原始夸克星的负夸克为下夸克（d），正夸克为组成上夸克（u夸克的三分之二电子电荷不是基本夸克）的上单夸克（上夸克“裂变”而成），这两种单夸克（最基本的夸克）按照金刚石的正四面体“空间点阵”聚变、联结成原始夸克星[1,3]（如果说中子星是一个超大的“原子核”的话，原始夸克星则是超巨的“中子”）；笔者2013年预言的宇宙诞生之初原始夸克星形成过程中产生的宇宙背景辐射（如今变成可见光附近的波段）[1]，于2014年被美国学者发现的超出理论4倍的紫外辐射所支持[11]。恒星级黑洞尽管也可能由中子的下夸克与上夸克直接聚变而成，但这样的黑洞的磁场可能比脉冲星（高速旋转的中子星）还要强，因此可能性不大。
未来应通过分析双中子星合成恒星级黑洞过程中可能伴随引力波发出的超高频光子进一步证实或证否。2021年上半年发现的银河系的近千TeV的超高频光子[12]是否与夸克聚变、夸克星-黑洞形成有关亦值得进一步研究。
什么是黑洞？黑洞就是这个天体的实体半径小于该天体的史瓦西（Schwarzschild）半径，如此则即使是光速的光子也不能逃逸出史瓦西半径，此即黑洞之“黑”。而前述的原始夸克星的密度大于中子这个粒子本身的密度，中子（球）的半径是0.8×10-15米，中子的质量是10-27千克。按照史瓦西半径Rs=2GM/c2（万有引力常数乘以天体质量乘以二再除以光速的平方）计算质量为太阳3.8倍（到2013年为止发现的最小的黑洞[1]）以上的夸克星，后者的史瓦西半径显然大于其实际半径，因此，以夸克星可以很好地解释黑洞之“黑”，而不需要由那不可知的“奇点”构成的黑洞（所谓的所有物理学定律在“奇点”均“失效”）。
实际上，星体只要达到足够的密度，即可表现为“黑洞”的性质；这个临界密度不妨称之为Heapprenzchuang-Schwarzschild密度。
此外，已知中子星质量范围为太阳质量的1.44~3.2倍，如果在3.3倍太阳质量时立即坍塌为体积无限小的“奇点”（黑洞）而不经过夸克星体阶段——恐怕有些玄乎、牵强；况且，量子力学已经表明，夸克不可能被压缩到普朗克尺度（10-35米）以下（更勿论整个夸克星体被压缩为“无限小”的“奇点”了）[1]。而且，已经有量子物理学家不认同黑洞的数学上的“奇点”[29]。
显然，检验真理性的唯一标准是实践（包括实验与宇宙学观测），而不是诺氏奖（2020年）的认定。
至于夸克星如何对抗重力坍塌——是另外的问题，有待探讨。
一方面，下夸克等单电荷夸克可能就是牛顿曾经设想的宇宙中最硬的粒子[1]，本身可产生刚性反弹力（重力的反作用力）；另一方面，量子色动力学并未规定强相互作用只有强性引力而没有强性斥力，强力的方向有可能取决于强子（包括夸克）的距离或（和）与正反色荷有关，而夸克的所谓“渐进自由”可能就是两种强相互作用的基本平衡。而且，已经知道电磁力、万有引力都存在两种相反的方向（暗能量的斥力属于万有引力）。当然，上述问题有待于继续、进一步探讨，本文仅是引玉之砖。
2.关于暗物质
已知每一个大星系中心都有一个超大质量黑洞，结合太阳系中心的太阳质量占太阳系质量的99%以上推测，原始夸克星-黑洞很可能是宇宙暗物质的主要形态[1,11]，而现已发现，小星系包括最小之星系的中心同样存在超大质量黑洞[13,14]，此无疑进一步支持夸克星-黑洞是宇宙暗物质的主要形态；而近年国内学者的“包含暗物质的强子夸克混合星[15] ”研究客观上亦为此提供了进一步的理论物理基础。最新文献认为，银河系除其中心的超大质量黑洞外，尚存在至少上亿颗恒星级黑洞[16]；而前些年的银河系暗物质观测结果则不支持暗物质由冷暗物质或热暗物质构成[17]，而组成原始夸克星-黑洞的正、负基本夸克恰恰既非冷暗物质粒子、亦非热暗物质……
2021年由挪威奥斯陆大学的托尔斯滕布林曼领导的国际物理学家团队的对暗物质的新研究提出，宇宙早期以等离子形式存在的常规物质“热浴”中，部分常规粒子转化为暗物质粒子（而后者进一步促进常规粒子向暗物质转化）[28]；此学说尽管有一些悬而未决的问题，但重要的是它符合当今通过宇宙微波背景 (CMB) 对暗物质的观察（已在著名的《物理评论快报》上发表）[28]。而夸克星-黑洞正是从正负单夸克的常规粒子“转化”而来的（而黑洞可进一步吞噬恒星等常规物质），换言之，这项新研究，客观上支持夸克星-黑洞作为暗物质主要形态，而且夸克星-黑洞很可能符合宇宙微波背景对暗物质的观察！
近年有科学家认为，根据超大型黑洞的质量来推算，其不可能是通过恒星坍缩来形成的；而很可能是宇宙大爆炸的早期，在物质高度密集的环境中，由一些“致密点”诞生的[31]。此与笔者2013年提出的宇宙诞生之际形成的原始夸克星-超巨质量黑洞[1,11]相符！
2021年德国物理学家Igor Nikitin发表论文认为，黑洞（普朗克星）可能就是暗物质的本质[32]；几乎同时，英国科学家发表在了《皇家天文学会月刊》上的论文认为暗物质可形成超大质量黑洞[31]。这些客观上均支持笔者2013年即已提出的黑洞-夸克星是宇宙暗物质主体的观点[1,11]！
3.关于暗能量
近年eBOSS合作组通过观测红移0.8到2.2之间的类星体空间分布,发现了显著的重子声波振荡信号，宇宙大尺度星系巡天在6.5个标准差水平上证实了暗能量的存在.这是继超新星、宇宙微波背景辐射观测之后证明暗能量存在的新证据[18]。
2012年，笔者根据阴阳“四象”的对称原则，以每一个基本粒子（包括暗物质粒子）在真空中激发三个虚粒子来解释暗能量（因当时的数据显示明、暗物质的总和约等于暗能量的三分之一）[19]；此后，西方学者也提出类似观点：暗能量为“空穴”对[21]。我们认为，虚粒子“空穴”对互为反粒子而“湮灭”为2 个虚光子作为暗能量的主要形态（因此暗能量是能量而非物质）；也许，暗能量才是真正的“真空零点能”（“真空零点能”或许没有原来设想的那么巨大）。
清华大学作者[33]认为，热能是暗能量。我们认为，热能属于分子、粒子的动能特别是无序的动能包括粒子的振动动能，且与光子能联系密切，因此热能并不神秘；热能在宇宙质能中的比例并不大（与暗能量的占比不同），但热能与光能一样（遵守质能守恒定律）都是促进宇宙空间收缩的因素而不是膨胀的因素；热能促进空气膨胀而不是空间本身的膨胀。
4.关于宇宙正反物质“不对称”
著名理论物理学家、前苏联氢弹之父萨哈罗夫1967年提出的宇宙正、反物质为什么“不对称”，成为现代物理学最大的谜团之一（粒子物理标准模型不能解释）[22,23,24]。2020年，我们提出带正电的上夸克、正电子是正物质粒子，而带负电的下夸克和电子是反物质粒子（当然，“正物质”、“反物质”是相对而言的[19]）[25]，这样，则夸克星-黑洞（暗物质）是正反物质对称的；可见物质的绝大部分是正反物质对称的（质子、中子均是正反物质粒子的混合），而唯一的正、反中微子不对称，或可从弱相互作用CP不守恒（解释1019分之一的宇宙正反物质不对称[19]）得到解释。
总之，电荷守恒的本质可能就是正反物质粒子之对称;而已困扰物理学界50多年的宇宙正反物质“不对称”的问题——并不一定存在[25]。
至于宇宙物质为什么选择电子、下夸克、上夸克而不是选择它们的反粒子（非“反物质”）？此可从粲介子和其反粒子相互转化的严重不平衡[26]中获得解释。
2021年4月美国费米实验室发现的μ子（电子的第二代，属“轻子”）的磁矩与理论值间一定的差异[30]，此是否提示μ子内部有类似夸克的结构[1，3]？——有待研究。
感谢中国科技大学物理学院谢彦波教授、庄礼贤教授、复旦大学物理系张操教授、中国科学院吴宝俊教授与斯坦福大学物理系Tian-dao Zhang（张天道）副教授提出宝贵意见！
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