宇宙怪物——Ｑ球

陳壯叔

科學(xué)家在深入探索后，最近又發(fā)掘出一個新的宇宙怪物，稱為Q球。哈佛大學(xué)的物理學(xué)家柯薩說：“它們非常重而微小，若你把它放在桌上，它將穿通桌面直入地心?！边@是一種奇異物質(zhì)構(gòu)成的微球，它們可能漫游于空間。每個Q球，都像一個藏在堅果殼內(nèi)的新宇宙。為何說新宇宙呢?因為在Q球內(nèi)部，不存在我們所熟悉的三種自然力(強核力、弱核力、電磁力)。這種特性造成的后果是災(zāi)難性的，這意味著，每個Q球都在破壞宇宙的規(guī)律和秩序，因為它吞食普通物質(zhì)，并迫使后者按Q球的規(guī)律存活下去。一個Q球能吃掉超密星(中子星)的心臟。

但迄今沒有人見過這種怪球，它只是來自物理學(xué)家的預(yù)言。據(jù)說，怪球產(chǎn)生于新生宇宙的高溫之中，并一直存活到今天?？茖W(xué)家擬在各處尋找它們的蹤影，從遙遠(yuǎn)的天邊到海底和冰層之中。若找到Q球?qū)⒔忾_一大堆宇宙奧秘，這包括科學(xué)家堅信散布在宇宙的暗物質(zhì)，在天空閃爍著的、不可預(yù)測的γ射線暴等。

Q球之名為物理學(xué)家?guī)炖锫?，有非常穩(wěn)定、堅固的含義，它所包含的能量也高低不等。1997年柯薩和雪尼可夫，確切地從一種稱之為超對稱理論中得出Q球的結(jié)論?，F(xiàn)行的粒子物理學(xué)其標(biāo)準(zhǔn)模型十分成功地描述了組成物質(zhì)的基本粒子(夸克和輕子)，但目前它已出現(xiàn)了裂縫，因此科學(xué)家推出了超對稱論，它企圖在標(biāo)準(zhǔn)模型之外，為粒子物理學(xué)構(gòu)筑一個新的框架。此理論引入了一批鏡像粒子，即所有的已知粒子都有自己的超對稱伙伴粒子。但迄今沒有人探測到這些粒子，這也許是現(xiàn)在的粒子加速器的能量還不夠大，不足以產(chǎn)生它們。若超對稱論正確，那么這些伙伴粒子曾統(tǒng)治過宇宙。

理論預(yù)言，就在暴脹(大爆炸后的瞬間)發(fā)生之后，宇宙為夸克和輕子的超對稱伙伴粒子(S夸克和S輕子)所覆蓋，Q球也在此時產(chǎn)生?？滤_等稱，在這個S夸克和S輕子的海洋中，不可避免地有密度上的起伏；那些較密的部分可能聚合起來，看上去像云霧一樣，并凝結(jié)成團(tuán)塊或液滴。若這些團(tuán)塊較大，就將形成Q球，由于它很穩(wěn)定，故能一直存活下來。

科學(xué)家利用超級電腦進(jìn)行模擬，結(jié)果看到，這個S夸克海洋中能凝結(jié)出三十多種Q球，最大者(也即能量最高者)含有2×1016個S夸克。

這些神秘的S夸克、S輕子之所以能存活，是因為它們擁擠在空間中，沒有像夸克、輕子那樣嚴(yán)格的限制。例如在質(zhì)子中，只能有3個夸克，因為不能有更多的夸克共享它們的量子態(tài)，而成千上萬的S夸克、S輕子卻可相安無事地分享同一(量子)態(tài)，故它們可擠在一個原子核大小的微球中。

有的Q球甚至可能含有1030個粒子，其大小約為鐵原子核的10倍，而其質(zhì)量約為1×10－7千克，相當(dāng)于前者1萬億倍。由于S夸克、S輕子的特性，Q球內(nèi)不存在形成我們世界的強核力、弱核力和電磁力。它們?nèi)詮浬⒂诳臻g，很可能組成某些暗物質(zhì)，游蕩在星系周圍，遍及整個宇宙。我們所以能知悉暗物質(zhì)，是通過其引力彎曲可見星系的運動路線而得知。

若這些堅果殼真的漫游在空間，它們會有怎樣的標(biāo)記呢?由于微小，推測其速度在100千米／秒左右，它們將穿過恒星或行星而絕不停留。例如一顆Q球若穿過太陽，不會超過4分鐘，其速度僅減慢0001％，這就像一粒子彈穿過水蒸氣云。

但對另一種星體來說，若被Q球所污染，卻意味著死亡，中子星就是如此。中子星的直徑僅在20千米～30千米，卻含有一個太陽的物質(zhì)，因此其內(nèi)部的物質(zhì)極密實，以致原子中的電子都跟質(zhì)子擠壓在一起，而成中子濃湯。

當(dāng)一顆Q球碰上中子星時，它將跟大量的中子相互作用，并漸漸到達(dá)星核，此時其速度已減慢到“爬行”。同時它開始吞食周圍的中子，“中子內(nèi)的夸克突然發(fā)現(xiàn)，那種把它們束縛在一起的力已消失，因此它們裂開，又被Q球反彈。”但不用多久，這些夸克就和Q球混合起來，變成了S夸克。Q球在形成2或3個π子(由夸克—反夸克對組成)后，將吐出多余的能量，而后者將衰變成各種粒子，包括微小的、以光速運行的中微子，它們將從中子星中逃逸出來?？滤_說：“中子星被Q球慢慢地從內(nèi)層吞食出來。”能量從星核的逃逸，將耗減其質(zhì)量，最終其質(zhì)量只剩下到1／5個太陽的質(zhì)量。此時，引力強度已不足以阻止中子衰變成電子、質(zhì)子和中微子。這些騷動著的中子突然衰變，釋放出巨大能量，整個中子星隨之爆炸，這相當(dāng)于又來了一次小型的超新星爆發(fā)。

柯薩等人計算，一顆Q球吃掉中子星核，約需1000萬年，而中子星的一般壽命都為幾億年，故Q球引發(fā)的爆炸想必早在進(jìn)行了。若中子星爆發(fā)，其大部分能量以γ射線涌現(xiàn)出來，這足可引起γ射線暴。迄今，我們觀測到的超明亮γ射線閃爍，仍然是一個謎，這會是Q球引發(fā)的嗎?Q球還將在另一方面顯示其存在，即在微波背景輻射上，它是大爆炸留下的余波。

1998年，英國的克默斯特等人指出，Q球?qū)ξ⒉ū尘爱a(chǎn)生敏感的扭曲。人們期待2006年歐洲航天局將發(fā)射普朗克天文衛(wèi)星，它有能力探測到這種現(xiàn)象。

這種怪球甚至在我們自己的家鄉(xiāng)——地球，也可能找到。若一顆Q球到達(dá)地球，它將一路大吃質(zhì)子而發(fā)出巨大的π子暴。因為這些高能粒子在通過水或冰層時會發(fā)出閃光，所以這些信號會被置放在全球各地的探測器所記錄。由于Q球放射出的粒子，將以超光速(水中)運動。而這一點，并不違反愛因斯坦關(guān)于光速是宇宙中最高速度的結(jié)論，因為這是指光在真空中的速度，而在其他介質(zhì)中，光速將大幅度下降。

出自Q球的高速粒子，在它們通過水層時，因快于光速(水中)，故呈一束藍(lán)光，稱之塞倫可夫輻射。它雖很暗弱，但能觀測到?？茖W(xué)家利用靈敏的光電管來放大這些塞倫可夫閃光，他們就能指出這些粒子的運動路線。

從1984年～1990年以來，已有一串塞倫可夫探測器置于西伯利亞貝加爾湖中?？茖W(xué)家檢查了探測器所記錄的數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)有Q球的痕跡。在意大利格蘭珊蘇國家實驗室的地下，置放了MACRO的探測器，此實驗還在進(jìn)行中。

從上述的觀測中可看出，若Q球存在的話，那么一定很稀少；若它們是暗物質(zhì)組成的，那么一定很重。按這樣的推理，物理學(xué)家計算出，Q球至少含有1022個粒子。

像這樣的Q球，大型粒子探測器更易捕捉到。例如，由13串塞倫可夫探測器組成的ANTARES，它建造在地中海2000米水下，其覆蓋面積可達(dá)01平方千米，按計劃可在2003年建成。另一稱之為“冰房”的探測器，將安置在南極，在那清潔的冰層上，挖掘81個深達(dá)24千米的洞，然后把一串串的塞倫可夫探測器置于洞內(nèi)。按研究者的計劃，“冰房”將于2008年啟動。

最令人感興趣的是，疑有一對Q球在“超開密歐凱得”探測器中留下了痕跡。這是一個含有5萬噸水的大容器，置于日本依開山下的礦場中。盡管外界說得沸沸揚揚，但實驗者說，他們確實看到一些東西進(jìn)入，但太輕微了，以致探測器無法證實。一些樂觀者認(rèn)為，未來幾年也許會迎來最激動人心的時刻，有望找到理論上存在的這些宇宙怪物。

但只要超對稱論未被證明，那么Q球還將是一種想像。物理學(xué)家赫爾說，“沒有超對稱存在的一些證據(jù)?！彼f，雖然超對稱論在許多方面很精巧，但許多物理學(xué)家更多地把它看做宗教，而非科學(xué)理論。這一“神學(xué)”已把一些有前途的理論排擠出受人注意的中心。赫爾甚至問道，關(guān)于中子星爆炸或微波背景上的扭曲，一定能說明超對稱理論和Q球的存在嗎?因為大尺度空間仍是一個復(fù)雜和未知的宇宙區(qū)域?！拔也⒎钦f這種思想沒有研究價值，但我認(rèn)為，它不會產(chǎn)生一個清楚的答案?！彼J(rèn)為，最好的方法是直接驗證基本概念，使用大功率的粒子加速器，在最小尺度上觀測物理定律。

真理來到的時刻不會遠(yuǎn)了，也許再等上5年，最強有力的加速器——大型強子對撞機(LHC)將問世，它將在歐洲核子研究中心(CERN)把粉碎了的粒子結(jié)合起來。若在碰撞的碎片中仍找不到超對稱鏡像粒子(如S夸克等)的影蹤，那么這個理論將陷入很大的麻煩。

如果上述鏡像粒子被證實，那么超對稱論將加入到可測試的大自然規(guī)律的行列。在這種情況下，Q球?qū)⒆兊檬直迫?，在這個堅果殼內(nèi)自然定律被打碎，將不會使人大感奇怪，雖然它留給我們一大堆難題。