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  • 制造黑洞:无稽之谈还是有据可依?大型粒子对撞机可回答此问题

    人造黑洞毁灭地球?

    制造黑洞:无稽之谈还是有据可依?大型粒子对撞机可回答此问题

    图片来源:欧洲核子研究委员会

    每次我们拓展尖端科学的知识时,总会遇到风险,还有所期待的报酬。风险有很多,如发现新事物的失败、原先计划好的实验的徒劳,甚至出错可能带来的破坏;但是报酬会很可观,包括解锁新知识和新技术的发展,还有整个人类科学事业的进步。

    欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)就是体现这一切的地方之一,我们在这里以粒子加速器所能达到的最高能量碰撞粒子。两年前,我们打破了在费米实验室创下的旧纪录—2电子伏特(兆电子伏特,或者10^12 电子伏特),通过将每个粒子加速到3.5电子伏特并将它们碰撞在一起,然后取得了总能量7电子伏特。这个发现不仅使我们创造了大量难以捉摸的基本粒子(比如顶夸克,还有W和Z玻色子),还让我们发现了一个崭新的基本粒子和在标准模型中最后一个未被发现的粒子:希格斯玻色子。

    制造黑洞:无稽之谈还是有据可依?大型粒子对撞机可回答此问题

    图片来源:费米实验室/费米国家加速器实验室

    大型强子对撞机的升级使我们现在能够到达某处在总能量13-14电子伏特之间(这取决你问谁)。如果我们真的幸运的话,这种巨大能量下发生的大量碰撞,再加上我们拥有的令人难以置信的探测器,可能会让我们在实验室里发现和创造出前所未见的粒子。当然,这并没有阻止那些经常怀疑的人做出令人难以置信(或者完全不可信)的声明,如:

    大爆炸理论可能会被大型强子对撞机揭穿,并且这种对宇宙地揭穿可能会形成一个吞噬我们的黑洞,最终摧毁宇宙。尽管前两个是糟糕的科学报道,但第三个却是常见的恐惧,它一次次的抬起它丑陋的头,没有任何现实依据。

    制造黑洞:无稽之谈还是有据可依?大型粒子对撞机可回答此问题

    有许多理论预言有其他维度的存在。不仅是我们所知的三维空间和一维时间维度出现在我们的四维时空里,我们的宇宙至少还存在另一个时空维度。虽然我们不能以我们所探测到的能量来获得那些维度,但可以想象的是,在我们已研究的更小尺度里—与更高能量相对应—这些额外的维度是存在的。

    并且如果这些额外的维度存在的话,理论上它可能会形成一个小至显微镜可见的黑洞!

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    图片来源:美国国家航空航天局/喷气推进实验室-加利福尼亚理工学院

    如果我们能够做到这一点的话,这将是一项令人难以置信的科技成就,并且是一个将永远改变我们对宇宙认知的惊人的证据。当然,在你说到“黑洞”这个词的时候,人们会马上想到一幅某物吸食各种物质,逐渐吞噬掉组成我们世界的质子、中子和电子,并且最终摧毁整个世界的悲惨画面。

    这是不可能的。事实上,我们知道有很多原因这是不可能的。让我们一个一个过一遍。

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    图片来源:皮埃尔·奥格尔天文台

    如果这些微型黑洞真的存在,地球早已被撞击了数十亿年了,然而地球却依旧存在。

    当然,我们从未在以前的实验室里创造出这种能量的粒子,但在能量最高的时候—比我们在大型强子对撞机里创造的大一亿倍—粒子猛烈撞击地球:超级宇宙射线从四面八方轰击我们。

    宇宙射线通量(粒子单位面积)对比能量(在电子伏特中,最高能量相当于1焦耳;10^12电子伏特相当于大型强子对撞机爆发的能量)

    这些黑洞如果真的存在,在整个太阳系的历史中,会一直轰击地球(包括所有行星),还有太阳,但还没有确切的证据证明太阳系里的任何一个天体变成黑洞或者被另一个吞噬掉。

    但也许你会反对,这些物体移动太快,只是穿过地球,因为吞噬的物质太少而不能留在里面。好吧,如果这就是你反对的意见,也许第二个原因为什么这是可能的会帮到你。

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    图片来源:奥罗拉·西莫内特

    2.)如果你真的创造了一个微型黑洞,它们将会穿过霍金辐射在极小的时间尺度上衰退。

    如果真的有另外的维度,可以想象的是,它们可能是一种特殊的类型,允许(同样罕见但似乎合理的)微型黑洞的形成。这个黑洞最大的质量会跟质子间碰撞产生的能量相等,或者达到13-14电子伏特。通过E=mc^2,它对应的质量是5×10^(-20)克,很可能更小。

    但即使你能创造合适尺寸、类型的其他维度,但要形成一个黑洞,你还有一个问题:它不稳定。根据量子力学定律,这个黑洞将会在霍金辐射的作用下衰变。对于质量为5 x 10^- 20g的黑洞,在三维空间中的衰变时间大约是10^-83秒,这甚至还不够存在的时间。要使这项物理变得有意义,我们需要10^-43秒或更长的时间。转换成黑洞的质量,我们至少需要将它转换成0.00002克才有可能存在。

    然而,在四维空间里,尤其是当“额外的”空间更大时,衰变的时间会一直持续到10^-23秒。为了战胜这个微型黑洞的预期衰变,你必须抛弃所知的物理定律。这些定律都太根深蒂固,所以很难相信它们会是错的—就像明天你起床看见太阳从西边升起一样难以相信。

    但为了讨论的方便,我们假设还有我们没有想到的可以使这些黑洞稳定的物理定律。所以你创造了一个黑洞—一个小型的黑洞—相对于地球中心处于静止状态,而且它不会衰变。它会吞噬掉地球吗?如果会,有多快?这就引出我们第三个也是最后一个反对意见,记住:我们已经允许你两次抛弃已知的物理定律来获得这一点。

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    图片来源:NASA, S. Gezari(约翰霍普金斯大学)和J. Guillochon(加州大学圣克鲁兹分校)

    你可以计算黑洞吞噬物质的速度,它甚至都不像我们星球寿命那么短。

    我们喜欢把黑洞想象成吞噬物质,但事实是,它们只能通过引力相互吸引。当质量为~5 x 10^-20克时,它所产生的引力非常微弱:它所能做的就是穿过地球中心,然后再出来,再跟它希望的那样与基本粒子发生碰撞。然而黑洞的横截面很小,而质子(或中子)的横截面却相当的大,所以,为了便于论证,我们可以假设,每次黑洞撞击一个质子或中子的时候,它也在吸收它们。

    制造黑洞:无稽之谈还是有据可依?大型粒子对撞机可回答此问题

    图片来源:欧洲核子研究中心/阿特拉斯实验

    假设它吞噬掉每个它接触的质子、中子或电子—同时考虑到它的重量,看看它会吸收什么—它每秒大约会吞噬掉66000个质子和中子。当然,66000个质子和中子质量很小:1.1 x 10^-25克。直到黑洞变得足够大的时候,增长率才会保持不变;只有增长到大约10亿公吨时候,这个黑洞才会开始以比它现在更快的速度增长,因为它的横截面需要这么长的时间来增长。每秒捕获66000个核子,需要多长时间才能让黑洞达到1千克?3万亿年,比太阳甚至宇宙的寿命还要长。

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    图片来源:美国国家航空航天局/威尔金森微波各向异性探测器科学团队

    所以尽管你创造了一个黑洞、知道那些物理定律是错的,它永远存在,它仍是无害的。不管你抛弃了多少物理定律,修正或调整,地球还是会没事的。

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    图片来源:美国国家航空航天局/阿波罗17

    所以振作起来!我们都准备好去探索物理学的前沿了,并且用一种完全安全的方式增加我们对宇宙的知识和了解。任何你对我们星球会被黑洞吞噬的恐惧都是不合理的。现在,用科学知识武装自己,你可以放心了,这个世界是安全的,至少在物理学上是这样子。

    作者: Ethan Siegel

    FY: 主谓宾宾

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