⚛ 浓汤中烹调的原初黑洞

2022年寒假，小U将努力为大家带来一系列新鲜又好玩的小物件！

---

在阅读完《最初三分钟》后，小U对早期宇宙的形态充满了更多的兴趣，便沿着这条线继续探索更加好玩的~

导言

得益于科幻小说、科幻电影的传播，”黑洞”，一个天体物理学中的概念逐渐为人熟知.
在2019年，国际组织事件视界望远镜(EHT: Event Horizontal Telescope)发布了历史上首张黑洞照片.
在2021年，EHT再度收获M87星系中央黑洞的照片(网友戏称为”曲奇饼”)，这一张照片具有更强的观赏性，因为这张图片包含了表征磁场特征的偏振信息
2021年，科学界对黑洞的研究者成果远不止如此，下面选一小部分列举：

用通俗易懂的话来说，黑洞,就是一种具有强大引力的致密天体.
一般大家所熟知的黑洞的成因，大抵都只局限于大质量的恒星”寿终正寝”后，在自身引力作用下向内坍缩.
但不嫌事少的物理学家们提出了一个惊天动地的想法：第一批黑洞远在恒星形成之前就已经存在，这样的黑洞就被称为原初黑洞.
今天我们故事的主角就是原初黑洞，而这个故事，还得这么讲起……

原初黑洞咋来的？

在《最初三分钟》一书中，小U学到了一个新的知识点，宇宙时期竟然还有分类(分类依据是宇宙能量密度的主导形态)！
为了偷懒不制图让大家看得更加直观，我们接着用时间线来说话.
(虽然有关宇宙起源的学说有很多，但在这里小U采信宇宙大爆炸学说)

物理学家们提出，宇宙的能量密度涨落会在暴胀时期被撕扯和放大，以至于出现引力坍缩形成原初黑洞.值得说明的是，这个说法只是近几十年来学界最主流的原初黑洞形成机制；但近年来，科研人员发现如果宇宙演化进程中能经历一场一级相变的话，在辐射时期的宇宙也能产生原初黑洞.

一级相变又是嘛？

理论上”相变”大家都不陌生，毕竟生活中司空见惯，也见怪不怪了。比如，在天津寒冷的冬天，一群称之为”早八人”的物种，戴着眼镜、背上心爱的小书包、顶着凛凛寒风、艰难地、从小窝踱步至公教，镜片会起雾，用初中知识就知道这就是水蒸气遇冷液化，发生了气相到液相的转变罢了。而”一级”就是说，两个相之间存在明确的分界线.

在宇宙学中，宇宙的相变指的是真空本身的相变.

有这样一个或许小孩纸都知道的基本事实：真空依然不是一无所有，它仍然是由正负电子旋转波包所组成的系统，与这种现象伴生的能量就是真空零点能，即便是在绝对零度下，真空零点能依然存在.

(插个广告：想通俗易懂的了解这一观点的，可以去看：USTC,涂涛&郭光灿《真空不空》一文)

我们还没学的也不想学的量子场论指出——真空并非一穷二白，它含有处于最低能态的量子场.而有一类特殊的场称为标量场，它可以被视为一种介质，充当真空的背景.标量场的能量最低态就是真空，根据标量场势能形状的不同，真空也可以处于不同的相.

举个通俗易懂的例子，假定最低值位于零处的标量场被认定为”气态”真空，那么最低值小于零的标量场则可被视为”液态”真空.这样举例是合理的——加入粒子在处于”液态”的真空中运动，那么粒子就会和真空相互作用，出现一定的”粘滞”效应，表观感受上就像是在泳池里走路的笨重态；而粒子处于”气态”的真空中运动就不会受到这种影响，表观感受就像是在大气中走路的轻盈态.

上面的不严谨譬喻就是希格斯机制的形象表述.希格斯场是一种标量场，它的真空期望值不为零，标准模型中的粒子与希格斯场作用获得质量(就是上面说在水中走路).希格斯场激发的波纹就是希格斯玻色子(Higgs Boson)，已与2012年为欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC)所发现.希格斯场的势能图样因为其特殊形状也被戏称为”墨西哥帽子”，正是因为其真空不在原点，而赋予其他粒子以质量的特性.

宇宙学的相变温度远远高于沸点，通常认为需要高达一千万亿度的高温，显然人类没有能力实现这样高的一个温度，当然也没有机会观察到真空沸腾的这一奇观，但考虑到即便在大爆炸结束后的1E-12 s内宇宙的温度数量级仍然高达1E15，因此这种宇宙演化仍然是可以发生的.一开始标量场处于”气态”真空，所有的粒子是无质量的，随着温度的下降标量场发生相变，转为”液态”真空，与希格斯场相互作用的粒子就获得了质量.

我们可以通过想象水沸腾时产生的气泡来形象地理解宇宙学相变的过程：液态水沸腾时会产生气泡，气泡当然是气态水，也就是新相，不考虑现实状况，这些气泡会扩张、碰撞、融合，变得越来越大；同样地，宇宙学相变也能出现膨胀的泡泡，泡内存在的是新的真空(新相)，新真空的能量更低，泡内外存在压差，退u东真空泡泡进一步膨胀.这些泡泡相互碰撞、融合成更大的泡泡，最终填满宇宙，完成到新真空的转变.

综述，宇宙学一级相变就是由旧真空到新真空的过程(相变)，表现为基本粒子在真空泡内存在质量(前提是该粒子能与标量场发生耦合作用)，在泡泡外没有质量，正是这样一个特性，为原初黑洞的形成提供了舞台，但问题是，舞台怎样搭建的？

相变怎样搭建舞台？

上面我们说到，鲁迅说粒子本没有质量，但当其穿透泡泡壁进入真空泡泡时，便有了质量.
根据相对论，一定的能量可以用等价质量表示，考虑到能量守恒定律，不难理解，只有当粒子在旧真空中的初始能量大于在新真空中的等价质量时，它才能穿透泡泡壁进入泡泡，否则撞到就是一个”弹弹珠”游戏.

微观粒子的平均动能和当时的宇宙温度是同一数量级，因此如果粒子在新真空中的等价质量大于相变温度时，粒子就会玩上弹弹珠游戏.在这种情况下，粒子无法进入泡泡，而泡泡又在扩张，粒子的”生存空间”被不断压缩，造成的最终结果就是——粒子不断与其反粒子湮灭成别的中性粒子进入泡泡.但如果正反不对称(虽然但是人们已经知道正反不对称是存在的)，那多出来的粒子(虽然但是确实是这么回事)就会因为进不去泡泡而残留下来.

这些可怜的鳏寡孤独废疾者就会在越发狭小的空间中互相”剥削”，产生强大的简并压强(更为准确来说是费米子之间，由于泡利不相容原理而导致的简并压强)，这种简并压强足以与真空压强抗衡时，这些鳏寡孤独废疾者就形成了致密的小球，称为费米球，是宇宙学孤子解.

尽管费米子间互斥而产生简并压，但他们之间还会存在由标量场作为媒介的吸引力，称之为汤川秀树相互作用.汤川力也很强(是一种吸引力)，唯一的问题是短程有效、长程为零.但问题就是费米球质量可高达1E21g但半径只有几十微米，这个距离足以让汤川力释放强大的威力，使得费米球向内坍缩，形成原初黑洞，这就是相变搭建的舞台.

Acknowledgement

Matrix of Scientific Research Institution

• [1]ITP-CAS：中科院理论物理研究所
• [2]IHEP-CAS：中科院高能物理研究所
• [3]ScienceDirect：Elsevier期刊

Matrix of Academic Journal

• [1]涂涛，郭光灿. 真空不空[J]. 物理, 2018, 47(9): 549-556. TU Tao，GUO Guang-Can. Vacuum is not empty. Physics, 2018, 47(9): 549-556.
• [2][1]张少勇.宇宙演化膨胀坍缩理论（英文）[J].哈尔滨理工大学学报,2017,22(06):116-121.DOI:10.15938/j.jhust.2017.06.022.
• [3]The Radiation-Dominated Universe in Nonstandard Cosmology.Günter Schar.Physics Institute, University of Zürich, Winterthurerstr. 190 , CH-8057 Zürich, Switzerland
• [4]Krzysztof A. Meissner, Hermann Nicolai,Origin and growth of primordial black holes,Physics Letters B,Volume 819,2021,136468,ISSN 0370-2693