第七章 黑洞不是这么黑的
成万亿之一英寸亦即比一个原子核的尺度还小!如果在地球表面上你有这样的一个黑洞,就无法阻止它透过地面落到地球的中心。它会穿过地球而来回振动,直到最后停在地球的中心。所以仅有的放置黑洞并利用之发出能量的地方是绕着地球转动的轨道,而仅有的将其放到这轨道上的办法是,用在它之前的一个大质量的吸引力去拖它,这和在驴子前面放一根胡罗卜相当像。至少在最近的将来,这个设想并不现实。但是,即使我们不能驾驭这些太初黑洞的辐射,我们观测到它们的机遇又如何呢?我们可以去寻找在太初黑洞寿命的大部分时间里发出的伽玛射线辐射。虽然它们在很远以外的地方,从大部分黑洞来的辐射非常弱,但是从所有它们来的总的辐射是可以检测得到的。我们确实观察到了这样的一个伽玛射线背景:图7.5表示观察到的强度随频率的变化。然而,这个背景可以是也可能是除了太初黑洞之外的过程产生的。图7.5中点线指出,如果在每立方光年平均有300个太初黑洞,它们所发射的伽玛射线的强度应如何地随频率而变化。所以可以说,伽玛射线背景的观测并没给太初黑洞提供任何正的证据。但它们确实告诉我们,在宇宙中每立方光年不可能平均有300个以上的太初黑洞。这个极限表明,太初黑洞最多只能构成宇宙中百万分之一的物质。
图7.5由于太初黑洞是如此之稀罕,看来不太可能存在一个近到我们可以将其当作一个单独的伽玛射线源来观察。但是由于引力会图7.5将太初黑洞往任何物质处拉近,所以在星系里面和附近它们应该会更稠密得多。虽然伽玛射线背景告诉我们,平均每立方光年不可能有多于300个太初黑洞,但它并没有告诉我们,太初黑洞在我们星系中的密度。譬如讲,如果它们的密度高100万倍,则离开我们最近的黑洞可能大约在10亿公里远,或者大约是已知的最远的行星——冥王星那么远。在这个距离上去探测黑洞恒定的辐射,即使其功率为1万兆瓦,仍是非常困难的。人们必须在合理的时间间隔里,譬如一星期,从同方向检测到几个伽玛射线量子,以便观测到一个太初黑洞。否则,它们仅可能是背景的一部份。因为伽玛射线有非常高的频率,从普郎克量子原理得知,每一伽玛射线量子具有非常高的能量,这样甚至发射一万兆瓦都不需要许多量子。而要观测到从冥王星这么远来的如此少的粒子,需要一个比任何迄今已造成的更大的伽玛射线探测器。况且,由于伽玛射线不能穿透大气层,此探测器必须放到外空间。当然,如果一颗像冥王星这么近的黑洞已达到它生命的末期并要爆炸开来,去检测其最后爆炸的辐射是容易的。但是,如果一个黑洞已经辐射了100至200亿年,不在过去或将来的几百万年里,而是在未来的若干年里到达它生命的终结的可能性真是相当小!所以在你的研究津贴用光之前,为了有一合理的机会看到爆炸,必须找到在大约1光年距离之内检测任何爆炸的方法。你仍需要一个相当大的伽玛射线探测器,以便去检测从这爆炸来的若干伽玛射线量子。然而,在这种情形下,不必去确定所有的量子是否来自同一方向,只要观测到所有它们是在一个很短的时间间隔里来到的,就足够使人相当确信它们是从同一爆炸来的。整个地球大气可以看作是一个能够认出太初黑洞的伽玛射线探测器。(无论如何,我们不太可能造出比这更大的探测器!)当一个高能的伽玛射线量子打到我们大气的原子上时,它会产生出电子正电子(反电子)对。当这些对打到其他原子上时,它们依序会产生出更多的电子正电子对,所以人们得到了所谓的电子阵雨。其结果是产生称作切伦科夫辐射的光的形式。因而,我们可以由寻找夜空的闪光来检测伽玛射线爆。当然,存在许多其他现象,如闪电和太阳光从翻跟斗的卫星以及轨道上的碎片的反射,都能在天空发出闪光。人们可在两个或更多