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在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?

大型强子对撞机是物理学界搜寻新粒子的前沿。但对一些物理学家来说,他们期待的是另一件事:在对撞机中制造来自高维时空的黑洞……

黑洞距离我们可以有多近?

今年5月,欧洲南方天文台发现了可能是迄今为止离我们最近的黑洞。这个黑洞位于南天的望远镜星座,它和两颗恒星组成了一个名为HR 6819的三体系统。

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图

当然,该天体是否属于黑洞还存在争议。如果结论得到证实,黑洞到地球的最短距离将从此前的3000光年缩减到1000光年,而且这也是第一个肉眼就能看到的黑洞系统。(前提是在南半球进行观测)

不过,在天文学观测之外,黑洞可以离我们再近一点吗,甚至就出现在地球上?

虽然这听上去像是奇谈怪论,但一些物理学家早在上世纪末就开始考虑,如何在地球上制造出黑洞。而制造黑洞的场所,就是当今最高能的对撞机――大型强子对撞机(LHC)。

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图1

听到这,你是不是在想:如果黑洞真的出现了,会把地球上的物质都吸进去,甚至摧毁地球吗?别急,在恐慌之前,让我们首先来思考这个问题:到底什么才是黑洞?

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图2

在我们的印象中,黑洞都是宇宙中的庞然大物。的确,目前我们已经发现的黑洞中,即使最小的,质量也有太阳的5倍,它们的引力强大到可以撕碎恒星,吞噬地球更是不在话下。

但在理论上,根据广义相对论,任何物体的引力都会使周围的时空弯曲。当我们压缩足够的倍数,直至时空曲率大到连光线也无法逃出时,这个物体就变成了一个黑洞。

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图3

根据计算黑洞大小的史瓦西半径计算公式(r=2GM/c2),无论是太阳、地球还是肥宅,都可以被压缩成黑洞:

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图4

由此我们可以看出,质量越轻的物体,要形成黑洞,需要压缩的程度就越高,形成的黑洞密度也越大。

因此理论上来说,最小的黑洞同时也是密度最大的黑洞。物质理论上的最高密度是普朗克密度:5.155×1096kg/m3,带进史瓦西半径计算公式,就可以知道:最小的黑洞质量10-8千克。物理学家希望在对撞机中制造的目标,就是这样的微型量子黑洞。

2009年,LHC开始工作。在LHC中,压缩的对象是基本粒子――质子。LHC可以让质子拥有7万亿电子伏特的能量,根据质能方程E=mc2,这时质子质量为10-23千克。相比于质子本身的静止质量(10-27千克),已经提升了很多。当两个这样的高能质子碰撞,能量就会被压缩到一个很小的空间内。

但前面我们说了,理论上最小的黑洞是10-8千克,对撞机中的质子与其相差了15个量级。也就是说,对撞机的能量需要增强1015倍,才能让质子变成黑洞。

在我们的有生之年,如果大幅度的提升,显然不切实际。但刚才这一切的前提是,空间如我们所见,只有3个维度。如果空间还隐藏着更高的维度,情况就不一样了。而这里的关键就是引力。

在三维空间中,引力和距离的平方成反比。为了理解这一点,我们来想象这样的场景:距离引力源1米时,引力被分散到半径1米的球面上;距离减半,引力就被集中到了半径0.5米的球面上,每一点的引力是之前的22也就是4倍。

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图5

同理,如果是一个二维空间,引力就沿着圆周分布,因此与距离的一次方成反比。

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图6

同理类推,在n维空间中,引力随距离的(n-1)次方成反比:

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图7

随着额外维度的增加,引力的增长是指数级的。将近20年前,科学家就在理论上证实了,如果空间有7个维度,在对撞机里制造黑洞理论上是可行的。也就是说,如果弦理论或者M理论得到证实,那么制造黑洞在理论上具有可行性。而且制造黑洞的速度可能还不慢――一秒一个。因此,他们将对撞机称作黑洞工厂。

如果对撞机里真的能撞出黑洞,这些黑洞的最终结局是什么?霍金的理论给出了答案。

上世纪70年代,霍金提出著名的霍金辐射:任何黑洞,在吸收物质的同时,也在向外辐射能量,不断蒸发。而量子黑洞会辐射能量很高的粒子,同时质量下降。当它的质量达到普朗克质量,黑洞会瞬间湮灭。整个过程,只需要10-26秒。也就是说,远远不到一眨眼的功夫,黑洞产生,又消失了。

好在,这个过程释放的高能辐射,还可以在对撞机中留下印迹。研究人员可以寻找这些痕迹,来判断对撞机里有没有黑洞出现过。

到现在,“黑洞工厂”已经运行超过10年,但寻找黑洞的进展却一无所获。现在,对撞机的能量已经提升至13万亿电子伏特,但可能来自黑洞的信号没有出现,这时的引力也没有表现出高维空间的特征。

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图8

这说明什么?或许高维空间根本不存在,在地球上制造黑洞只是妄想;又或者,我们低估了制造黑洞所需的能量,目前的对撞机还不能达到这样的能级。

就在近期,欧洲核子研究中心宣布将升级LHC,并建造更高能的未来环形对撞机。到那时,黑洞能够现身吗?要等待答案,我们或许还要等上几十年。

在地球上制造黑洞,物理学家是想毁灭地球?插图9

所以说,物理学家为什么要尝试制造黑洞?在对撞机中制造黑洞,其实有着深刻的科学意义。

首先,刚才提到的黑洞理论――霍金辐射还没有得到证实。这是因为根据这个理论,质量越大的黑洞,释放辐射的温度越低。我们找到的黑洞质量的都太大了,它们的辐射弱到难以观测。但如果量子黑洞存在,它们释放的高能辐射,就有可能成为霍金辐射理论的证据。

量子黑洞还可以帮助我们寻找高维空间。在我们的印象中,额外的空间维度,似乎只是存在于科幻中的概念,因为即使隐藏着的更高维度存在,三维空间中的我们也无法直接触碰。但通过寻找黑洞湮灭的踪迹,我们有机会证实隐藏的维度,探索高维空间的性质。

最后,量子黑洞意味着人类对于“小”的探索达到一个新的阶段。从尘埃到原子,从质子到夸克,人类一再刷新着对“最小”的定义。现在我们知道,物理学中有意义的最短距离是普朗克长度。再短,空间的概念就不存在了。如果我们能制造出黑洞,它将触及最“小”的边界。

编辑:hxg

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