宇宙中最早的黑洞，竟然是“彩色”的

实际上，这里的“颜色”指的的强相互作用里的色荷。物质会携带色荷，就像在电磁力中，物质会携带正负电荷一样。色荷由夸克和胶子携带，分为红、绿、蓝三种，夸克的反物质——反夸克还会携带三种反色，反红、反绿、反蓝，有时候会用它们（红、绿、蓝）的互补色，青、洋红、黄来表示。

这些色荷的作用范围一般不会超出一个质子/中子，因为强力太强，携带不同色荷的夸克总会被束缚在一起，无法独立存在。这被称为夸克禁闭，成团的夸克总色荷为零，所以它又叫色禁闭。

不过，近日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表的一篇论文则提出，宇宙第一批诞生的黑洞携带的总色荷可以不为零。并且，如今我们或许还能通过天文观测，寻找这种黑洞存在过的证据。

宇宙第一批黑洞

大爆炸后，宇宙最初的一段时间内，温度、压力、密度都极高。这时物质密度的简单波动都有可能达到黑洞形成的条件，宇宙第一批黑洞就这样诞生了，它们被称为原初黑洞（primordial black hole，PBH）。

今天的宇宙中，26.8%的质量都是电磁波观测不到，却又有引力效应的暗物质。原初黑洞不发光，并且有一定的质量。天文学家自然怀疑它们可能就是一直找不到的暗物质。但是，对于质量较小的黑洞，黑洞会通过霍金辐射失去质量，而且一般小黑洞的霍金辐射比大黑洞更强，蒸发更快。计算表明，对于质量在5×10¹¹kg（大约是一颗直径700米小行星的质量）以下的原初黑洞，它们在宇宙诞生约4.3×10¹⁷秒（或者说138亿年）后的今天，都已经蒸发殆尽。

对于那些较质量大的原初黑洞，我们则可以通过微引力透镜（Gravitational microlensing）来寻找它们。大质量物体的引力会扭曲光线，产生类似透镜的效果。如果宇宙中存在质量较大的原初黑洞，虽然我们无法直接看到它，但是它在宇宙中自由飘荡时，有可能像透镜一样聚焦背景的星光，让我们观测到的某颗星星突然变亮，这种现象也因此微引力透镜。

如果真的真的是大质量的原初黑洞构成了暗物质，那么我们就能通过统计星空中突然变亮的星来寻找它。然而，昨天发表在《自然》（Nature）和《天体物理学杂志增刊系列》（Astrophysical Journal Supplement Series，ApJS）上发表的论文却指出，科学家分析了银河系和大麦哲伦星云近20年的观测数据，却没有发现足够多的、符合恒星级别的原初黑洞特征的微引力透镜事件。也就是说，如果暗物质真的是由原初黑洞构成的，那这些原初黑洞的质量根本无法达到恒星级别。

现在流行的猜想，是质量在10¹⁴kg到10¹⁹kg之间的原初黑洞，有可能构成了今天的暗物质。这些黑洞既没有太轻，到今天已经蒸发殆尽；也没有太重，导致会被微引力透镜观测统计结果排除。原初黑洞的质量和它形成的时间有关，对于10¹⁴kg到10¹⁹kg之间的原初黑洞，它们诞生的时间大约是宇宙诞生后的10⁻²¹秒到10⁻¹⁶秒之间。这时的宇宙温度极高，所有的粒子都在飞速运动，动能极高，就连强力也不能把它们束缚到一起，整个宇宙处在夸克-胶子等离子体（quark-gluon plasma，QGP）状态。

自由夸克的海洋

虽然那时的宇宙中，夸克和胶子可以自由活动，但是如果原初黑洞形成的过程中，吸收的夸克和胶子太多，从整体统计上来看，不同的色荷也可能是平衡的。就和等离子体一样，虽然等离子体内部的正负电荷离子可以自由移动，但整体因为电磁屏蔽效应，总是电中性的。

但是当尺度不断缩小，缩小到上图虚线甚至实线内部，结果就不一样了。当尺度小于一定程度，电磁屏蔽效应不再发挥作用，就能观测到等离子体内部的电荷不平衡，这个特征长度被称为德拜长度（Debye length）。例如放电气体的德拜长度在0.1毫米的量级，太阳风则在10米的量级。

夸克-胶子等离子体同样有自己的德拜长度，如果原初黑洞是在德拜长度之内的密度波动产生的，那它就能规避夸克-胶子等离子体内部的色屏蔽效应（类似于等离子体内部的电磁屏蔽效应），拥有净色荷。文章开头提到的那篇《物理评论快报》论文对这个过程展开了一系列计算。

计算结果显示，这样拥有净色荷的原初黑洞，半径大约比质子半径低4个数量级，质量却比质子高30个数量级——大约有20吨重，和你在工地边上看到的工程自卸卡车差不多重。这个质量对于一颗黑洞来说，实在是太轻了，对于同样质量，不带色荷的黑洞来说，只需要10⁻⁴秒就会蒸发殆尽。如果携带净色荷的原初黑洞能保持稳定，论文认为它的生命历程和其他黑洞应该相似，寿命也应该和不带色荷同质量的黑洞大致相同。也就是说，今天的宇宙中，携带净色荷的原初黑洞，都已经消失殆尽了。

尽管寿命很短，但这种黑洞的预期寿命依然比宇宙初期的夸克-胶子等离子体更长。宇宙诞生后仅仅10⁻⁵秒，各种粒子的动能稍稍减弱，强力就已经足够将各种夸克、胶子束缚到一起形成强子，夸克-胶子等离子体消失了，宇宙进入强子时代。从那以后的138亿年中，整个宇宙只有零散的超高能天体物理过程，和人类制造的粒子对撞机中，才有自由的夸克偶尔出现。

从宇宙诞生后10⁻⁵秒的夸克禁闭到10⁻⁴秒的黑洞蒸发，在这中间的时间里，携带净色荷的原初黑洞，会在没有净色荷的宇宙中发生什么？论文同样给出了他们的猜想。首先，夸克-胶子等离子体消失后，没有自由色荷对黑洞的色禁闭效应，这个黑洞携带的净色荷会产生非常高的势能。巨大的能量会在黑洞周围的真空中诱导出带有色荷的虚粒子云团，把黑洞包裹起来。相当于黑洞凭空创造净色荷屏蔽了自己。这个整体的系统和一个重子（质子、中子都是重子）的行为保持一致，尽管这个“重子”半径比质子小4个数量级，质量比质子高30个数量级。

在夸克禁闭之后，质子和中子开始形成，而上述的黑洞“重子”会扰乱它们的分布，从而影响后续的大爆炸核合成，在宇宙的原初元素丰度中，留下微妙的痕迹。也就是说，将来我们或许有机会找到这种原初黑洞在宇宙最初的10⁻⁴秒内留下的痕迹。