有科学家提出,采用欧洲最大的强子对撞机HLC制造出一个微型黑洞,以至于更深入窥探宇宙奥秘和物质的真相,从而推动人类文明跨越式进步。这个想法引起了剧烈争论,一些人忧心忡忡剧烈反对,惊呼:科学已经发展到摧毁人类文明的边缘!

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什么是黑洞,真的能人造吗?

真正的黑洞必须是引力黑洞,是指在极端条件下,三维空间的物质被压缩集中到一个普朗克尺度以下的体积中,成为一个0维奇点,围绕着奇点形成一个曲率无限大的球形空间。这个球形空间的边界就叫事件视界,其大小就叫史瓦西半径。

所以黑洞的实质是奇点,所有质量都集中在奇点上。人们能观测到的那个黑咕隆咚的球或者说洞,只是黑洞的事件视界,也就是可观测与不可观测的边界。物质被黑洞引力拉扯,围绕着黑洞高速旋转,发出强光和辐射,被人们观测到,这就是事件视界之外;任何物质一旦落入了这个事件视界之内,就有去无回,永远不被看见,连每秒速度达到30万公里的光也不例外。

那么,这种黑洞人类能够制造出来吗?只能说理论上可以,实践上很难。迄今为止,科学家们还没有能力制造出过任何引力黑洞,只设计实验过一些类似黑洞的模型。

如东南大学研究团队2010年宣称的人造黑洞,只是超材料吸波模拟器;许多国外团队制造的冷原子 / 声波黑洞,只是用超冷原子或声波模拟黑洞事件。这些所谓人造黑洞根本无引力,只是视界模拟,并非真正的黑洞。

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那么,人造黑洞会毁灭人类和地球,乃至整个太阳系吗?

答案是否定的。至少在可预见的将来,人造黑洞不可能毁掉人类和地球。因为即便人类真的能制造出黑洞,也是极小的微型黑洞,这种黑洞会瞬间蒸发,人畜无害。

说到黑洞蒸发,就得说说霍金辐射理论了。

广义相对论认为,黑洞是时空极度弯曲的区域,事件视界是不可逃逸边界,光与物质均无法逃出;量子场论则认为,真空并非空无一物,而是充满量子涨落,会不断瞬间产生包含一正一反能量的虚粒子对,随即湮灭,总能量守恒。

著名物理学家史蒂芬·威廉·霍金,身残志坚,且脑袋非常灵光,他从广义相对论与量子场论中发现了玄机,将两者有机连接起来,创立了黑洞辐射理论,首次为黑洞赋予了温度和熵的热力学属性。其核心原理是:弯曲时空如黑洞视界,会破坏真空量子涨落的对称性,导致虚粒子对分离,一个坠入黑洞、一个逃逸为实辐射,黑洞因此损失质量并最终蒸发。

具体说来,在黑洞视界极度弯曲时空,粒子对会出现视界跨越,出现在视界两侧:负能反粒子坠入黑洞,正能粒子向外逃逸,由此出现黑洞辐射,这就是所谓“黑洞蒸发”。这种存在于粒子层面的黑洞蒸发,表现为黑洞质量越小,温度越高,蒸发越快;反之越慢。

黑洞蒸发理论公式见下图:

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根据公式计算,当黑洞质量大于10亿吨时,其蒸发时间就会超过宇宙目前年龄,吸积能力远远大于蒸发,成为永久黑洞。虽然这种黑洞的史瓦西半径比电子还小,但如果出现在地球,将导致毁灭。

目前,人类还无法制造出最小的微型黑洞

因为制造黑洞需要极高的能量,即便造一个最小普朗克尺度的黑洞,也需要高达10^16TeV的能量。要将质子加速到极端接近光速,也就是0.999999999999999c以上,0点后面拖了15个9,这样,两束相向而行的质子发生碰撞,才可能制造出一颗最小的微型黑洞,其质量约为20毫克。

这种黑洞的史瓦西半径只有10^-35m,这个尺度刚好是普朗克尺度,即1000亿亿亿分之一米,比电子小了20个数量级,是人类认知极限的起点。这种普朗克尺度级黑洞,只需要10^-39秒,也就是一千万亿亿亿亿分之一秒就会蒸发殆尽。因此,不要说毁灭人类和地球,一个原子也碰不到。

更令人绝望的是,不但现在,就是在可预见的将来,人类都不可能达到制造这种微型黑洞的能力。

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迄今,最强大的粒子对撞机~欧洲强子对撞机LHC,只能将质子加速到0.999999991c,质子对撞的最高能量只能达到13.6TeV(总质心系能量),距离能撞出最小黑洞的能量10^16TeV还相差15个数量级,也就是差1千万亿倍。

如果采用这种对撞方式制造一个最小的黑洞,在极高动量下,要让质子束拐弯,理论上这个弯道半径需要达到令人恐怖的500光年。而现在的LHC环状轨道长度才有27公里,半径只有4.3公里。有科学预测认为,到2040年可以建造出撞击能量达到100TeV的对撞机,这点进步与达到制造出黑洞的水平完全可以忽略不计。

要知道,人类飞得最远的无人探测器旅行者1号,以每秒17公里的速度飞了近50年,也才飞了约255亿公里,而太阳系半径就有1光年,飞出太阳系还需要17000多年呢。如此,要制造出1000光年直径的轨道加速器,岂不是痴人说梦?

因此,在可预见的未来,人类不可能制造出人造黑洞,更不可能制造出能够毁灭地球的黑洞。

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不过,有一种高维弦理论ADD模型,假设存在大的额外空间维,量子引力能量就能降到 1TeV 量级,这样,HLC就可能对撞出转瞬即逝的微型黑洞。这只是一种理论猜想,实验上已被HLC排除。

要多大的黑洞就能摧毁人类文明和地球,乃至整个太阳系呢?

答案是并不大,只要吸积大于蒸发的黑洞都可以,其史瓦西半径只有约电子大小。

先来算算这个约电子大小黑洞的质量。黑洞的史瓦西半径与质量成线性正比,遵循的公式为:史瓦西半径R=2GM/c^2,这里的G代表引力常数,M为质量,c为光速。

已知电子经典半径≈2.818*10^-15m(米),这个电子大小黑洞的史瓦西半径R,代入变形后的史瓦西半径公式:M = Rc^2/2G,可计算出这颗电子大小的黑洞质量M约为1.9*10^12kg,也就是约19亿吨。

19亿吨的物质集中一根针尖上会发生什么?况且黑洞所有质量都是在一个没有体积的奇点上,比针尖小了无数倍,这种东西出现在地球表面有多么可怕:任何物质在它面前都等于不存在,原子在其面前也空旷无比。

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因此,这种黑洞出现的瞬间,就会被地心引力拉进地心,然后围绕着地心像钟摆那样上下晃荡,其强大的时空曲率极端扭曲拉扯撕碎周边任何物质,很快在周围形成高亮度高辐射的吸积盘,像吃面条一样将这些碎为粒子的物质吞进黑暗无底的深渊。

这种吞噬开始会很慢,随着黑洞质量越来越大,吞噬速度会成梯度加快,最终,地球将被这颗黑洞掏空吃掉。

在数月或数年的过程,地球将会遭遇比地狱可怕无数倍的炼狱景象:海洋干涸、山崩地裂、岩浆迸飞。生物将很快被毁灭殆尽。吃完地球后,这个黑洞质量将达到地球级质量~6*10^24kg,史瓦西半径约为9毫米。

理论上,引力在长距离上只与质量关联,也就是地球引力与变成地球质量级黑洞的引力是相等的,太阳的引力将依然约束这颗黑洞围绕着自己公转。但黑洞引力的极端之处就是没有了外壳阻隔,物质可以极限靠近质心,由此受到的引力潮汐拉扯就非常极端,任何靠近物质包括尘埃都会被撕碎吞噬殆尽。

因此,这个变成黑洞地球再也不会像过去一样安分守己,老老实实围绕着太阳公转,恒久不变。黑洞会不断吃掉靠近自己的星际物质,让自己质量变得越来越大,引力也随之增大;加上其引潮力比普通天体极端很多,就会不断扰动距离较近的天体。

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最先倒霉的就是月球,会被黑洞引潮力拉变形,破碎,吸食掉;然后是金星火星,最终是整个太阳系。由于对这些天体的破坏不像在地球表面这样直接,整个过程就会很漫长,吃掉月球需要数万年,吃掉整个太阳系需要上亿年甚至更长时间,但结局不会逆转。

不过,人类的科技距离能够制造出一颗迷你瞬间蒸发黑洞都还差距甚远,更别说造出摧毁地球的黑洞了。所以该吃吃该睡睡,别再担忧了。

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