神秘的原初黑洞：诞生于宇宙之初的它们(黑洞原子)

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让我们来看看细节吧！黑洞可以说是宇宙中最神秘的天体，尤其是它的内部是什么样子。直到今天，仍然众说纷纭。

但对于黑洞的形成，科学界早已达成共识。

然而，还有另一种黑洞。目前我们对它还知之甚少。它是如何形成的，何时形成的，甚至它是否真的存在，都不确定。

就是我们今天要介绍的原始黑洞。

从小质量恒星黑洞到几百倍于太阳质量的中等质量黑洞，再到星系中心，可以实现几百亿倍于太阳质量的超大质量黑洞。这些都是我们或多或少观察到的常见黑洞。

有一些是恒星坍缩直接形成的，有一些是通过吸积盘慢慢吃掉的，有一些是直接吞并吃掉小鱼，一条大鱼而简单形成的。

按照传统的观点，无论哪种方式，它们最初的前身都是从一个又一个星球来的。

但对于某些现象，这种观点无法解释。

例如，对于巨大椭圆系统中心的超大质量黑洞，即使通过最有效的合并，它也增长过快。从理论上讲，今天的宇宙中应该没有如此巨大的黑洞，更不用说诞生于早期宇宙的类星体了。

所以天体物理学家认为，宇宙中一定有某种机制可以让这些超大质量黑洞快速形成。

我之前做过这个话题的专刊，你可以看看。

在众多猜想中，有一种理论认为，这些超大质量黑洞最初可能不是由普通物质构成，而是直接从暗物质中聚集而来。这些暗物质黑洞就像一颗种子，通过引力逐渐吸引周围的普通物质向它聚集。

直到形成一个质量是太阳一百亿倍的超大质量黑洞。由这些暗物质组成的种子黑洞被认为是一个原始黑洞。

目前，宇宙的年龄被认为约为137亿岁。第一批恒星在宇宙大约1亿岁时首次出现，而对于原始黑洞来说，它们的诞生要早得多，甚至在大爆炸开始时的膨胀期。

这种不经历恒星坍缩而直接诞生于宇宙之初的黑洞，统称为原始黑洞。

事实上，原始黑洞的概念是霍金等人在20世纪70年代首先想到的，尽管当时还没有提出暴胀理论。目前关于原初黑洞的主流理论认为其本质是被暴胀放大的能量密度波动。

我们之前说过，根据热大爆炸模型，在大爆炸的第一秒，宇宙在这个时候有极高的温度和压力。此时，如果空间密度稍有扰动，这些局部区域的波动就会被暴胀过程迅速放大。当膨胀结束后，一些密度波动较大的区域，

因为质量足够大，这部分区域会直接坍缩成黑洞。

事实上，关于初级黑洞的形成，除了这个基于暴胀的主流理论之外，还有很多其他的理论。

例如，在2022年1月《物理学快报B》日发表的一篇论文中，研究人员描述了一个由宇宙辐射期真空衰变引起的原始黑洞。之前在量子系列中，我们说过真空并不是真的空，虽然它是一个势能最低的量子场。

但在微观层面，它总是有量子涨落的。

另外，从量子场论的角度来看，还有一种标量场只有大小，没有方向。对于势能最低的真空，可以是标量场的零点，这是两种完全不同的真空形式。

首先，对于最低势能等于标量场零点的真空，你可以把它想象成气态真空，而对于最低势能不等于标量场零点的真空，它就像是液态真空。

当然，这里引用的气体和液体，只是一个比喻。气态真空的特点是粒子毫无阻碍地通过，而液态真空的特点是粒子通过时会遇到一个阻力，就像人在水中行走的感觉一样。

这种阻滞效应的结果是一些基本粒子获得了质量。

没错，这就是希格斯机制的主要作用，希格斯场就是这样一个标量场。

上面说的真空衰变是指空间通过温度变化从一种真空状态变为另一种真空状态的过程，属于物理学中的一级相变。

对于空间来说，从大爆炸时极热的气态真空到液态真空，这是宇宙学中的一级相变。

另外，真空的这种相变对于整个宇宙来说并不是瞬间的，也需要一个过程，就像沸水中的气泡一样，新的真空可能会像气泡一样出现在宇宙的各个角落。这些真空气泡将由于压力差而迅速向外膨胀，

在这些气泡越来越大的过程中，不同的气泡会碰撞融合。最终，整个宇宙将充满这些气泡。

至此，空间完成了一次完整的相变。

这一切和最初的黑洞有什么关系？

最初的黑洞可能诞生于这些碰撞的气泡之间。随着气泡的膨胀，原本位于旧真空中的基本粒子会穿过气泡壁，进入新真空中的气泡。

但对于一些能量较低的粒子，可能就没那么幸运了。它们将停留在旧真空中，因为它们没有足够的能量穿透气泡壁进入新真空。

随着气泡的膨胀，整个宇宙剩下的旧真空越来越少，那些进不去气泡的粒子都被困在狭窄的缝隙里。对于生活在这些裂缝中的基本粒子来说，当压力大到足以与真空产生的压力相抗衡时，

这些基本粒子和它们所处的旧真空会形成非常致密的球体，这些球体被称为费米球。

费米要求是由费米子组成的微米级球体，密度远大于中子星。在这么小的尺度上，一种叫做汤川相互作用的力会让费米球向内坍缩成黑洞。

这些由费米球形成的黑洞是原始黑洞，因为在第一颗恒星诞生之前至少有几亿年。

无论是宇宙的相变、膨胀还是暗物质的直接形成导致的，原生黑洞的理论目前只是初步猜测，并没有实际的证据证明它的存在。

但是原初黑洞一直是宇宙学领域的热门话题之一，现在越来越多的理论被提出，加上对撞机，引力波探测器，韦伯望远镜。希望在未来，我们也能在实验中有新的发现。

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