双元子宇宙(黑洞和原子的惊人相似，双黑洞结合为“引力分子”，宇宙太神奇了)

2023年05月30日 14:10

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在宇宙中，黑洞是无与伦比的存在。不论是质量还是引力，都强大到令人们瞠目结舌。

目前人类已经发现了不止一种黑洞，其中比较惊人的是超大质量黑洞，它们的质量至少是太阳的几百万倍，甚至有的可以超过太阳的一百亿倍质量。另外还有一些恒星级黑洞，它们都是大质量恒星死亡后留下的残骸，其质量至少也是太阳的3倍。包括最近发现的中等质量黑洞，质量也在太阳的100倍以上。

但是，就是这些质量惊人的天体，竟然表现出了和微观粒子相似的特征，着实令科学家感到不可思议。

无处不在的场

在研究黑洞和微观粒子的相似性之前，我们首先要了解一个概念，那就是场。

所谓的场，可以理解为是一种环境，比如温度、压力、密度、湿度等，都可以看作是场。它影响着内部相关物质的变化，比如磁场中的铁屑会在磁力的作用下运动、排布。另一方面，场又受到场源的影响，比如磁铁的磁力强弱可以影响磁场的强度。

一般来说，磁场分为标量场、矢量场和张量场。

（图片说明：马蹄形磁铁形成的磁场）

所谓的标量场，也就是单纯地通过数字就能够表示的一些物理量场。比如温度、气压，不会因为你朝着哪个方向而变化。
和标量相对应的，还有矢量。和标量不同的是，矢量还有方向这个因素。比如外面正在下一场雨，你通过当时刮的风就知道家里哪一侧的窗户可能会有雨水进来。如果外面是北风，你就要关掉北侧的窗户。当然，如果风非常小，那么也无法把雨水吹进来。因此，对于矢量来说，大小和方向都很重要。
除此之外，还有张量场，指的是空间中的每一点的属性都可以以一个张量来代表，比如广义相对论的应力能张量场。不过大家在本文中不需要理解矢量场和张量场，我们仅仅讨论标量场。

在同一个时空下，可能同时有多个场的作用。比如说我们地球上，就既有地球的引力场，也有地球的地磁场，这些都是地球的“环境”。但是，场的概念又远远超出了仅仅是“环境”这样的描述，比如在量子力学领域。

电子云

我们知道，量子力学中有一条著名的原理，那就是测不准原理，指出我们不可能同时测出一个电子的速度和所在位置，无法描述一条它确定的运动轨迹。很多人都说电子绕原子核运动的方式就像是行星和恒星的关系，实则大谬，因为原子的行星模型是已经被推翻的理论，电子根本不是以这样的形式来运动。

（图片说明：电子云模型）

实际上，电子在原子周围的运动应该是按照玻尔的电子云模型，也就是薛定谔波函数描述的内容。也就是说，电子在原子周围的哪个位置是不确定的，只是出现在某个位置的概率大一些，某些位置概率小一些，通过密度来描述电子出现的概率，最终就形成了电子云模型。

这也是爱因斯坦和玻尔争论的焦点之一，爱因斯坦不相信这么随机的事情发生。但情况就是这样，薛定谔用波函数这样的数学形式，描述了电子云的理论（虽然他自己也是爱因斯坦阵营的）。而这个电子云，我们就可以理解为是一种场。

黑洞和电子的惊人相似

好了，前面介绍了这么多，我们终于要进入正题了。科学家发现：虽然一个是极其巨大的宏观天体，另一个是显微镜都看不清的微观粒子，但黑洞和电子有着惊人的相似性。

首先，电子具备三个极其重要的物理量，分别是质量、自旋和电荷。而1973年的时候，霍金等人提出了著名的黑洞无毛定理，指出：黑洞在形成之后将损失一切信息，只留下质量、角动量和电荷三个物理量。注意，电子的自旋不是你以为的自转，它其实就是一种内禀角动量。因此可以说，电子和黑洞的重要物理属性，其实是一模一样的！

（图片说明：霍金和他的黑洞无毛定理）

虽然我们不知道这到底是源自于某种未知的宇宙法则，抑或仅仅是一种巧合，但是目前来说，我们似乎可以利用这样的相似性来理解黑洞。

双黑洞——宇宙的分子？

利用场和电子云的概念，我们可以将电子云理解为一种场，而电子云中的原子核就是影响这个场的源头。原子核的变化，决定了电子云的变化。如果是两个原子结合，就像两个氢原子结合成氢气分子、两个氧原子结合为氧气分子的情况，电子云也会受到影响，那就是形成共价键。

（图片说明：两个氧原子结合为氧分子时，每个原子都要贡献两个电子形成共价键）

有趣的是，黑洞也会出现类似的情况。

我们可以将黑洞看作是一个原子，中心的奇点就代表原子核。而周围的标量场，就可以近似地看作是电子云。和原子核影响电子云一样，奇点也决定了这个标量场的变化，并且只允许相对应的粒子在特定位置有概率出现。同样的，就像原子核仅仅占了原子的极小空间却牢据绝大部分质量一样，奇点也只是黑洞中心的一个点，却几乎是黑洞全部质量的集中点。

（图片说明：即将在40个公转周期后碰撞的双黑洞）

更有趣的是，就像氢气、氧气这种双原子分子一样，宇宙中也有双黑洞。而最近的研究表明，双黑洞周围确实存在着引力的标量场，使得一些粒子像双原子分子中的电子一样排布。因此，研究人员们将这样的双黑洞系统称为宇宙中的“引力分子”。

在广袤的宇宙中，黑洞就像是一个原子，双黑洞就像是双原子分子。在极大的宏观天体和极小的微观粒子之间，我们竟然看到了诡异的雷同。

暗物质的蛛丝马迹

科学家之所以对这个问题进行研究，可不是像一些崇尚玄学的人一样认为黑洞就是微观粒子，他们只是希望通过这项研究寻找暗物质。

我们知道，暗物质占据了宇宙总质量的85%甚至可能更多，但是我们又完全不知道它们的本质是什么，只知道它们不和可见物质有相互作用，只是能提供引力。因此，有些科学家认为，暗物质或许是宇宙中的一种标量场。

如果真的是这样，那么双黑洞或许是我们研究暗物质的重要对象，因为双黑洞形成的场会让暗物质按照特定的位置出现，就像是电子一样。通过对双黑洞并合过程中的引力波探测，科学家或许能够找到暗物质的蛛丝马迹，前提是这个猜想是正确的。