有科學家提出,采用歐洲最大的強子對撞機HLC制造出一個微型黑洞,以至于更深入窺探宇宙奧秘和物質的真相,從而推動人類文明跨越式進步。這個想法引起了劇烈爭論,一些人憂心忡忡劇烈反對,驚呼:科學已經發展到摧毀人類文明的邊緣!
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什么是黑洞,真的能人造嗎?
真正的黑洞必須是引力黑洞,是指在極端條件下,三維空間的物質被壓縮集中到一個普朗克尺度以下的體積中,成為一個0維奇點,圍繞著奇點形成一個曲率無限大的球形空間。這個球形空間的邊界就叫事件視界,其大小就叫史瓦西半徑。
所以黑洞的實質是奇點,所有質量都集中在奇點上。人們能觀測到的那個黑咕隆咚的球或者說洞,只是黑洞的事件視界,也就是可觀測與不可觀測的邊界。物質被黑洞引力拉扯,圍繞著黑洞高速旋轉,發出強光和輻射,被人們觀測到,這就是事件視界之外;任何物質一旦落入了這個事件視界之內,就有去無回,永遠不被看見,連每秒速度達到30萬公里的光也不例外。
那么,這種黑洞人類能夠制造出來嗎?只能說理論上可以,實踐上很難。迄今為止,科學家們還沒有能力制造出過任何引力黑洞,只設計實驗過一些類似黑洞的模型。
如東南大學研究團隊2010年宣稱的人造黑洞,只是超材料吸波模擬器;許多國外團隊制造的冷原子 / 聲波黑洞,只是用超冷原子或聲波模擬黑洞事件。這些所謂人造黑洞根本無引力,只是視界模擬,并非真正的黑洞。
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那么,人造黑洞會毀滅人類和地球,乃至整個太陽系嗎?
答案是否定的。至少在可預見的將來,人造黑洞不可能毀掉人類和地球。因為即便人類真的能制造出黑洞,也是極小的微型黑洞,這種黑洞會瞬間蒸發,人畜無害。
說到黑洞蒸發,就得說說霍金輻射理論了。
廣義相對論認為,黑洞是時空極度彎曲的區域,事件視界是不可逃逸邊界,光與物質均無法逃出;量子場論則認為,真空并非空無一物,而是充滿量子漲落,會不斷瞬間產生包含一正一反能量的虛粒子對,隨即湮滅,總能量守恒。
著名物理學家史蒂芬·威廉·霍金,身殘志堅,且腦袋非常靈光,他從廣義相對論與量子場論中發現了玄機,將兩者有機連接起來,創立了黑洞輻射理論,首次為黑洞賦予了溫度和熵的熱力學屬性。其核心原理是:彎曲時空如黑洞視界,會破壞真空量子漲落的對稱性,導致虛粒子對分離,一個墜入黑洞、一個逃逸為實輻射,黑洞因此損失質量并最終蒸發。
具體說來,在黑洞視界極度彎曲時空,粒子對會出現視界跨越,出現在視界兩側:負能反粒子墜入黑洞,正能粒子向外逃逸,由此出現黑洞輻射,這就是所謂“黑洞蒸發”。這種存在于粒子層面的黑洞蒸發,表現為黑洞質量越小,溫度越高,蒸發越快;反之越慢。
黑洞蒸發理論公式見下圖:
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根據公式計算,當黑洞質量大于10億噸時,其蒸發時間就會超過宇宙目前年齡,吸積能力遠遠大于蒸發,成為永久黑洞。雖然這種黑洞的史瓦西半徑比電子還小,但如果出現在地球,將導致毀滅。
目前,人類還無法制造出最小的微型黑洞
因為制造黑洞需要極高的能量,即便造一個最小普朗克尺度的黑洞,也需要高達10^16TeV的能量。要將質子加速到極端接近光速,也就是0.999999999999999c以上,0點后面拖了15個9,這樣,兩束相向而行的質子發生碰撞,才可能制造出一顆最小的微型黑洞,其質量約為20毫克。
這種黑洞的史瓦西半徑只有10^-35m,這個尺度剛好是普朗克尺度,即1000億億億分之一米,比電子小了20個數量級,是人類認知極限的起點。這種普朗克尺度級黑洞,只需要10^-39秒,也就是一千萬億億億億分之一秒就會蒸發殆盡。因此,不要說毀滅人類和地球,一個原子也碰不到。
更令人絕望的是,不但現在,就是在可預見的將來,人類都不可能達到制造這種微型黑洞的能力。
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迄今,最強大的粒子對撞機~歐洲強子對撞機LHC,只能將質子加速到0.999999991c,質子對撞的最高能量只能達到13.6TeV(總質心系能量),距離能撞出最小黑洞的能量10^16TeV還相差15個數量級,也就是差1千萬億倍。
如果采用這種對撞方式制造一個最小的黑洞,在極高動量下,要讓質子束拐彎,理論上這個彎道半徑需要達到令人恐怖的500光年。而現在的LHC環狀軌道長度才有27公里,半徑只有4.3公里。有科學預測認為,到2040年可以建造出撞擊能量達到100TeV的對撞機,這點進步與達到制造出黑洞的水平完全可以忽略不計。
要知道,人類飛得最遠的無人探測器旅行者1號,以每秒17公里的速度飛了近50年,也才飛了約255億公里,而太陽系半徑就有1光年,飛出太陽系還需要17000多年呢。如此,要制造出1000光年直徑的軌道加速器,豈不是癡人說夢?
因此,在可預見的未來,人類不可能制造出人造黑洞,更不可能制造出能夠毀滅地球的黑洞。
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不過,有一種高維弦理論ADD模型,假設存在大的額外空間維,量子引力能量就能降到 1TeV 量級,這樣,HLC就可能對撞出轉瞬即逝的微型黑洞。這只是一種理論猜想,實驗上已被HLC排除。
要多大的黑洞就能摧毀人類文明和地球,乃至整個太陽系呢?
答案是并不大,只要吸積大于蒸發的黑洞都可以,其史瓦西半徑只有約電子大小。
先來算算這個約電子大小黑洞的質量。黑洞的史瓦西半徑與質量成線性正比,遵循的公式為:史瓦西半徑R=2GM/c^2,這里的G代表引力常數,M為質量,c為光速。
已知電子經典半徑≈2.818*10^-15m(米),這個電子大小黑洞的史瓦西半徑R,代入變形后的史瓦西半徑公式:M = Rc^2/2G,可計算出這顆電子大小的黑洞質量M約為1.9*10^12kg,也就是約19億噸。
19億噸的物質集中一根針尖上會發生什么?況且黑洞所有質量都是在一個沒有體積的奇點上,比針尖小了無數倍,這種東西出現在地球表面有多么可怕:任何物質在它面前都等于不存在,原子在其面前也空曠無比。
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因此,這種黑洞出現的瞬間,就會被地心引力拉進地心,然后圍繞著地心像鐘擺那樣上下晃蕩,其強大的時空曲率極端扭曲拉扯撕碎周邊任何物質,很快在周圍形成高亮度高輻射的吸積盤,像吃面條一樣將這些碎為粒子的物質吞進黑暗無底的深淵。
這種吞噬開始會很慢,隨著黑洞質量越來越大,吞噬速度會成梯度加快,最終,地球將被這顆黑洞掏空吃掉。
在數月或數年的過程,地球將會遭遇比地獄可怕無數倍的煉獄景象:海洋干涸、山崩地裂、巖漿迸飛。生物將很快被毀滅殆盡。吃完地球后,這個黑洞質量將達到地球級質量~6*10^24kg,史瓦西半徑約為9毫米。
理論上,引力在長距離上只與質量關聯,也就是地球引力與變成地球質量級黑洞的引力是相等的,太陽的引力將依然約束這顆黑洞圍繞著自己公轉。但黑洞引力的極端之處就是沒有了外殼阻隔,物質可以極限靠近質心,由此受到的引力潮汐拉扯就非常極端,任何靠近物質包括塵埃都會被撕碎吞噬殆盡。
因此,這個變成黑洞地球再也不會像過去一樣安分守己,老老實實圍繞著太陽公轉,恒久不變。黑洞會不斷吃掉靠近自己的星際物質,讓自己質量變得越來越大,引力也隨之增大;加上其引潮力比普通天體極端很多,就會不斷擾動距離較近的天體。
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最先倒霉的就是月球,會被黑洞引潮力拉變形,破碎,吸食掉;然后是金星火星,最終是整個太陽系。由于對這些天體的破壞不像在地球表面這樣直接,整個過程就會很漫長,吃掉月球需要數萬年,吃掉整個太陽系需要上億年甚至更長時間,但結局不會逆轉。
不過,人類的科技距離能夠制造出一顆迷你瞬間蒸發黑洞都還差距甚遠,更別說造出摧毀地球的黑洞了。所以該吃吃該睡睡,別再擔憂了。
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