黑洞或由夸克聚變形成而“奇點定理”難以成立的證據(jù)
——兼述暗物質(zhì)、暗能量及正反物質(zhì)“不對稱”問題*
張海鵬1,2，3，韓經(jīng)緯1,3,4，王志湖1,2，干政1,3.5，張丹參6
（1.涿鹿縣醫(yī)院放射醫(yī)學與應用物理研究所，張家口075600；
2.涿鹿縣醫(yī)院神經(jīng)外科五病區(qū)（腦脊髓腫瘤病區(qū)），張家口075600；
3.珠穆朗瑪太學堂（Qomolangma Ultra-university，QUU）北冀州祖沖之-郭守敬格致學術(shù)研究院粒子宇宙學研究所(籌)，張家口075600；
4.北京朝野環(huán)境科技有限公司計算物理實驗室，北京100089；
5.中國科學技術(shù)大學少年班，安徽合肥230026；
6.河北科技大學，石家莊050018）
張海鵬信箱：heapprenzcomhard@163.com；15101152180@163.com
*河北省人力資源和社會保障廳“三三三人才工程”項目（No.202019990508）
摘要：提出黑洞由夸克聚變形成而“奇點定理”難以成立的八個方面的證據(jù)。提出電荷守恒的本質(zhì)可能就是正反物質(zhì)粒子之對稱，而宇宙正反物質(zhì)“不對稱”的問題——不一定存在。
關(guān)鍵詞：黑洞；聚變，夸克；反物質(zhì)；暗物質(zhì)；暗能量
討論黑洞及宇宙暗物質(zhì)、暗能量、正反物質(zhì)“不對稱”問題。
1.關(guān)于黑洞
2020年，彭羅斯（Roger Penrose）因其從數(shù)學上證明的黑洞“奇點定理”獲諾氏物理獎；所謂奇點就是體積無限小、密度無限大的點，然而，量子力學已經(jīng)明確：不存在比10-35米（普朗克尺度）更小的點[1]。而黑洞的密度遠比中子星的密度更大，此提示黑洞是由比中子更深層的粒子組成；基于此，筆者于2013年提出，超大質(zhì)量黑洞是由攜帶三分之一電子電荷的正、負基本夸克組成的原始夸克星[1]。茲再述其證據(jù)如下：
（1）2014年，著名的《自然》雜志發(fā)表的美國伯克利國家實驗室和德國普朗克射電天文學研究所研究人員對星系中心超大質(zhì)量黑洞的探測研究結(jié)果: 首次發(fā)現(xiàn)了黑洞的磁場; 已觀測的76 個黑洞———包括銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞———的磁場和其萬有引力場一樣強［2,3］．而中性的黑洞“奇點”是不會產(chǎn)生磁場的！此是黑洞由帶e/3最基本電荷的正、負最基本夸克構(gòu)成［1］的有力證據(jù)［3］，而此前盡管也有夸克星的概念被提出，但認為是由“奇異夸克”組成的,其最大質(zhì)量也僅限于太陽的17.9倍[4]而無法解釋超大質(zhì)量黑洞及中等質(zhì)量黑洞，因此須比“奇異夸克”更基本的、帶最基本電荷的正、負單夸克構(gòu)型[3]。
（2）以美國哈佛-施密森天體物理中心Schild 為首的三人小組通過14 臺望遠鏡對距地球90 億光年的類星體Q0957 +561進行觀測發(fā)現(xiàn),這個類星體核心（被公認是超大質(zhì)量黑洞）是由一個密度很大的等離子體球組成， 這是表明整個黑洞模式（奇點）不正確的第一個證據(jù)（此已發(fā)表在2006 年7 月的Astronomical Journal ）[5]。而此“密度很大的等離子體球”——客觀上支持正負基本夸克構(gòu)成的夸克星-黑洞而非“奇點”黑洞。
（3）2020年芬蘭學者證明迄今發(fā)現(xiàn)的最大的中子星的核心由夸克組成（論文發(fā)表在《自然·物理學》雜志）[6]。此客觀上亦支持夸克星的存在。
（4）超新星爆發(fā)而產(chǎn)生黑洞過程中的超高頻光子及令人震驚的總能量支持夸克聚變：納米比亞的一個專業(yè)天文臺記錄了迄今為止的伽馬射線暴 (GRB) 中能量最高的輻射，即10億年前大質(zhì)量恒星坍塌為黑洞過程中發(fā)出的伽馬射線；可以確定GRB 190829A的光譜高達3.3TeV（10的12次方電子伏特）的能量（是可見光的光子能量的一萬億倍）[7]，此已發(fā)表在著名的《科學》雜志。無獨有偶，一個國際天文學家團隊已經(jīng)從70億年前超新星爆發(fā)的伽馬射線暴GRB 190114C中檢測到了TeV級能量的光子（已發(fā)表在著名的《自然雜志》）[8,9，27],而需注意的是，如此高頻的光子能量還是70億年間宇宙空間膨脹中光子波長被拉長（紅移）之后的結(jié)果！宇宙中普通能量（頻率）的伽馬射線最常見于恒星的核（子）聚變，而上述兩個伽馬射線暴的極高頻率光子很可能是黑洞形成過程中正負夸克“聚變”（更強的電磁場勢能）時向低能級躍遷而輻射的。因此可視為黑洞由夸克聚變而成的特異性較高的證據(jù)。
伽馬暴GRB 190114C在幾秒鐘內(nèi)釋放的能量比太陽100億年核聚變釋放能量的總和還多[7]！盡管我們對伽馬暴的過程與機理仍無十分詳盡的理解［10］，但是，比核（子）聚變更深層的聚變——夸克聚變?yōu)閷が敱┤绱肆钊苏痼@的能量提供了新的視角[3]。
（5）反面證據(jù)：如果黑洞由所謂奇點組成，其形成奇點之后立即就爆炸了（類似于“宇宙大爆炸”），就不會存在黑洞這種天體。
上述的原始夸克星的負夸克為下夸克（d），正夸克為組成上夸克（u夸克的三分之二電子電荷不是基本夸克）的上單夸克（上夸克“裂變”而成），這兩種單夸克（最基本的夸克）按照金剛石的正四面體“空間點陣”聚變、聯(lián)結(jié)成原始夸克星[1,3]（如果說中子星是一個超大的“原子核”的話，原始夸克星則是超巨的“中子”）；筆者2013年預言的宇宙誕生之初原始夸克星形成過程中產(chǎn)生的宇宙背景輻射（如今變成可見光附近的波段）[1]，于2014年被美國學者發(fā)現(xiàn)的超出理論4倍的紫外輻射所支持[11]。恒星級黑洞盡管也可能由中子的下夸克與上夸克直接聚變而成，但這樣的黑洞的磁場可能比脈沖星（高速旋轉(zhuǎn)的中子星）還要強，因此可能性不大。
未來應通過分析雙中子星合成恒星級黑洞過程中可能伴隨引力波發(fā)出的超高頻光子進一步證實或證否。2021年上半年發(fā)現(xiàn)的銀河系的近千TeV的超高頻光子[12]是否與夸克聚變、夸克星-黑洞形成有關(guān)亦值得進一步研究。
什么是黑洞？黑洞就是這個天體的實體半徑小于該天體的史瓦西（Schwarzschild）半徑，如此則即使是光速的光子也不能逃逸出史瓦西半徑，此即黑洞之“黑”。而前述的原始夸克星的密度大于中子這個粒子本身的密度，中子（球）的半徑是0.8×10-15米，中子的質(zhì)量是10-27千克。按照史瓦西半徑Rs=2GM/c2（萬有引力常數(shù)乘以天體質(zhì)量乘以二再除以光速的平方）計算質(zhì)量為太陽3.8倍（到2013年為止發(fā)現(xiàn)的最小的黑洞[1]）以上的夸克星，后者的史瓦西半徑顯然大于其實際半徑，因此，以夸克星可以很好地解釋黑洞之“黑”，而不需要由那不可知的“奇點”構(gòu)成的黑洞（所謂的所有物理學定律在“奇點”均“失效”）。
實際上，星體只要達到足夠的密度，即可表現(xiàn)為“黑洞”的性質(zhì)；這個臨界密度不妨稱之為Heapprenzchuang-Schwarzschild密度。
此外，已知中子星質(zhì)量范圍為太陽質(zhì)量的1.44~3.2倍，如果在3.3倍太陽質(zhì)量時立即坍塌為體積無限小的“奇點”（黑洞）而不經(jīng)過夸克星體階段——恐怕有些玄乎、牽強；況且，量子力學已經(jīng)表明，夸克不可能被壓縮到普朗克尺度（10-35米）以下（更勿論整個夸克星體被壓縮為“無限小”的“奇點”了）[1]。而且，已經(jīng)有量子物理學家不認同黑洞的數(shù)學上的“奇點”[29]。
顯然，檢驗真理性的唯一標準是實踐（包括實驗與宇宙學觀測），而不是諾氏獎（2020年）的認定。
至于夸克星如何對抗重力坍塌——是另外的問題，有待探討。
一方面，下夸克等單電荷夸克可能就是牛頓曾經(jīng)設想的宇宙中最硬的粒子[1]，本身可產(chǎn)生剛性反彈力（重力的反作用力）；另一方面，量子色動力學并未規(guī)定強相互作用只有強性引力而沒有強性斥力，強力的方向有可能取決于強子（包括夸克）的距離或（和）與正反色荷有關(guān)，而夸克的所謂“漸進自由”可能就是兩種強相互作用的基本平衡。而且，已經(jīng)知道電磁力、萬有引力都存在兩種相反的方向（暗能量的斥力屬于萬有引力）。當然，上述問題有待于繼續(xù)、進一步探討，本文僅是引玉之磚。
2.關(guān)于暗物質(zhì)
已知每一個大星系中心都有一個超大質(zhì)量黑洞，結(jié)合太陽系中心的太陽質(zhì)量占太陽系質(zhì)量的99%以上推測，原始夸克星-黑洞很可能是宇宙暗物質(zhì)的主要形態(tài)[1,11]，而現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，小星系包括最小之星系的中心同樣存在超大質(zhì)量黑洞[13,14]，此無疑進一步支持夸克星-黑洞是宇宙暗物質(zhì)的主要形態(tài)；而近年國內(nèi)學者的“包含暗物質(zhì)的強子夸克混合星[15] ”研究客觀上亦為此提供了進一步的理論物理基礎。最新文獻認為，銀河系除其中心的超大質(zhì)量黑洞外，尚存在至少上億顆恒星級黑洞[16]；而前些年的銀河系暗物質(zhì)觀測結(jié)果則不支持暗物質(zhì)由冷暗物質(zhì)或熱暗物質(zhì)構(gòu)成[17]，而組成原始夸克星-黑洞的正、負基本夸克恰恰既非冷暗物質(zhì)粒子、亦非熱暗物質(zhì)……
2021年由挪威奧斯陸大學的托爾斯滕布林曼領導的國際物理學家團隊的對暗物質(zhì)的新研究提出，宇宙早期以等離子形式存在的常規(guī)物質(zhì)“熱浴”中，部分常規(guī)粒子轉(zhuǎn)化為暗物質(zhì)粒子（而后者進一步促進常規(guī)粒子向暗物質(zhì)轉(zhuǎn)化）[28]；此學說盡管有一些懸而未決的問題，但重要的是它符合當今通過宇宙微波背景 (CMB) 對暗物質(zhì)的觀察（已在著名的《物理評論快報》上發(fā)表）[28]。而夸克星-黑洞正是從正負單夸克的常規(guī)粒子“轉(zhuǎn)化”而來的（而黑洞可進一步吞噬恒星等常規(guī)物質(zhì)），換言之，這項新研究，客觀上支持夸克星-黑洞作為暗物質(zhì)主要形態(tài)，而且夸克星-黑洞很可能符合宇宙微波背景對暗物質(zhì)的觀察！
近年有科學家認為，根據(jù)超大型黑洞的質(zhì)量來推算，其不可能是通過恒星坍縮來形成的；而很可能是宇宙大爆炸的早期，在物質(zhì)高度密集的環(huán)境中，由一些“致密點”誕生的[31]。此與筆者2013年提出的宇宙誕生之際形成的原始夸克星-超巨質(zhì)量黑洞[1,11]相符！
2021年德國物理學家Igor Nikitin發(fā)表論文認為，黑洞（普朗克星）可能就是暗物質(zhì)的本質(zhì)[32]；幾乎同時，英國科學家發(fā)表在了《皇家天文學會月刊》上的論文認為暗物質(zhì)可形成超大質(zhì)量黑洞[31]。這些客觀上均支持筆者2013年即已提出的黑洞-夸克星是宇宙暗物質(zhì)主體的觀點[1,11]！
3.關(guān)于暗能量
近年eBOSS合作組通過觀測紅移0.8到2.2之間的類星體空間分布,發(fā)現(xiàn)了顯著的重子聲波振蕩信號，宇宙大尺度星系巡天在6.5個標準差水平上證實了暗能量的存在.這是繼超新星、宇宙微波背景輻射觀測之后證明暗能量存在的新證據(jù)[18]。
2012年，筆者根據(jù)陰陽“四象”的對稱原則，以每一個基本粒子（包括暗物質(zhì)粒子）在真空中激發(fā)三個虛粒子來解釋暗能量（因當時的數(shù)據(jù)顯示明、暗物質(zhì)的總和約等于暗能量的三分之一）[19]；此后，西方學者也提出類似觀點：暗能量為“空穴”對[21]。我們認為，虛粒子“空穴”對互為反粒子而“湮滅”為2 個虛光子作為暗能量的主要形態(tài)（因此暗能量是能量而非物質(zhì)）；也許，暗能量才是真正的“真空零點能”（“真空零點能”或許沒有原來設想的那么巨大）。
清華大學作者[33]認為，熱能是暗能量。我們認為，熱能屬于分子、粒子的動能特別是無序的動能包括粒子的振動動能，且與光子能聯(lián)系密切，因此熱能并不神秘；熱能在宇宙質(zhì)能中的比例并不大（與暗能量的占比不同），但熱能與光能一樣（遵守質(zhì)能守恒定律）都是促進宇宙空間收縮的因素而不是膨脹的因素；熱能促進空氣膨脹而不是空間本身的膨脹。
4.關(guān)于宇宙正反物質(zhì)“不對稱”
著名理論物理學家、前蘇聯(lián)氫彈之父薩哈羅夫1967年提出的宇宙正、反物質(zhì)為什么“不對稱”，成為現(xiàn)代物理學最大的謎團之一（粒子物理標準模型不能解釋）[22,23,24]。2020年，我們提出帶正電的上夸克、正電子是正物質(zhì)粒子，而帶負電的下夸克和電子是反物質(zhì)粒子（當然，“正物質(zhì)”、“反物質(zhì)”是相對而言的[19]）[25]，這樣，則夸克星-黑洞（暗物質(zhì)）是正反物質(zhì)對稱的；可見物質(zhì)的絕大部分是正反物質(zhì)對稱的（質(zhì)子、中子均是正反物質(zhì)粒子的混合），而唯一的正、反中微子不對稱，或可從弱相互作用CP不守恒（解釋1019分之一的宇宙正反物質(zhì)不對稱[19]）得到解釋。
總之，電荷守恒的本質(zhì)可能就是正反物質(zhì)粒子之對稱;而已困擾物理學界50多年的宇宙正反物質(zhì)“不對稱”的問題——并不一定存在[25]。
至于宇宙物質(zhì)為什么選擇電子、下夸克、上夸克而不是選擇它們的反粒子（非“反物質(zhì)”）？此可從粲介子和其反粒子相互轉(zhuǎn)化的嚴重不平衡[26]中獲得解釋。
2021年4月美國費米實驗室發(fā)現(xiàn)的μ子（電子的第二代，屬“輕子”）的磁矩與理論值間一定的差異[30]，此是否提示μ子內(nèi)部有類似夸克的結(jié)構(gòu)[1，3]？——有待研究。
感謝中國科技大學物理學院謝彥波教授、莊禮賢教授、復旦大學物理系張操教授、中國科學院吳寶俊教授與斯坦福大學物理系Tian-dao Zhang（張?zhí)斓溃└苯淌谔岢鰧氋F意見！
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