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既然黑洞吞噬一切,为啥科学家还敢制造,难道不怕把自己吞掉?

原创
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看过我过去有关黑洞文章的都知道,黑洞是宇宙顶级天体,通吃一切,而且就像传说中的貔貅,没屁眼,光吃不拉,因此就会越吃越长越大。现在人类已知宇宙中最大的黑洞质量达到了太阳的1040亿倍,就是经过很多年吞吃了许多天体才长成这样的,这个黑洞叫SDSS J073739.96+384413.2。

黑洞的吃相很难看,有点像鲨鱼或鳄鱼,不管废铜炼铁什么都往肚子里吞,来者不拒,任何天体也无法与其抗衡。现在已发现宇宙最小黑洞约太阳质量的3倍,最大恒星约太阳质量的200多倍。理论上,宇宙中最小的黑洞都可以吃掉最大的恒星。

既然黑洞是如此霸道,蛇可吞象,太阳、地球遇到黑洞岂不就完了,为啥还有些科学家还说要制造一个黑洞呢?这不是自己作死吗?它们就不怕自己被吃了,还连累别人也被吃了?

黑洞形成机制和科学家们想制造的黑洞说到制造黑洞,这里就不得不说说黑洞形成的原理了。虽然黑洞看起来很极端,无恶不作,但其实它形成的原理很简单,就是压力。只要有难以想象的巨大压力,将任何物质压缩到自己质量的临界点之内,就成为一个黑洞了。

物质质量的临界点就是史瓦西半径,史瓦西半径的计算公式为:R=2GM/C^2。公式里的R就是史瓦西半径,G为引力常量,M为质量,C为光速。

形象地说, 就是物质被压缩进自己临界点之后,就会无限坠落到核心一个无限小的奇点上,而史瓦西半径,就是在奇点周围形成的一个曲率无限大的球状无物的空间。

根据史瓦西半径公式计算,太阳的史瓦西半径约为2964米,地球的史瓦西半径约8.9毫米,月球的史瓦西半径约1毫米。但要把物质压缩进自己质量史瓦西半径内谈何容易,不但人类无法制造出这种极端压力,就是宇宙中也很少能有这种压力。

因此宇宙中形成黑洞的条件只有一个,就是天体质量足够大,大到太阳质量的40倍左右。这种天体核心压力极高,在演化末期还会发生超新星大爆发,在超大压力挤压下,才能在核心留下一个黑洞。

除此之外,还有中子星质量超过上限,即奥本海默极限,这样才能够在已经极大压力下再增加一点压力,压垮依靠中子简并压勉强支撑的中子星形态,成为一个看不到物质的黑洞。

既然如此,科学家们如何获得这么大的压力,在地球上制造出一颗黑洞呢?原来是欧洲大型强子对撞机,可以制造出微观层面极强的压力和温度,甚至可以再现宇宙大爆炸后1秒钟内的景象,因此理论上是可以制造出一个原子级别黑洞的。

请注意,科学家们要制造的黑洞,只是原子级别的微型黑洞,不是史瓦西半径有原子这么大,而是这个黑洞的质量只有原子这么大。氢原子的质量约1.674*10^-27kg(千克),理论上,制造出来的黑洞史瓦西半径约2.48*10^-54米,就是约248万亿亿亿亿亿亿分之一米。

这么小的黑洞能够吃掉地球吗?回答是否定的,因为这涉及到黑洞蒸发理论,这个理论是已故著名物理学家霍金率先发现并创立的。

黑洞蒸发理论简介量子力学的不确定性原理告诉人们,真空不空,到处都存在着虚粒子海洋,这些虚粒子会在随机量子涨落中以正反成对的方式涌现,很快又相互湮灭,但也有极个别没有湮灭而分开,这就是宇宙奇点的起源。

霍金的黑洞蒸发(又叫黑洞辐射)理论就是建立在这个理论基础上的。他认为在黑洞史瓦西半径(事件视界)里,是一片符合不确定性原理的量子虚空海洋,虚粒子在视界附近不断涌现又湮灭,但在湮灭前正反粒子会分离一段极短的时间,这样就会发生四种可能性:

1、两个伙伴重新相遇,并且相互湮灭;2、反粒子被黑洞捕获,正粒子则逃离到外部世界;3、正粒子被黑洞捕获,反粒子逃出;4、正反粒子虽然没有湮灭,但双双落入黑洞。落入黑洞的粒子即被无限引力拉扯到核心奇点里,而逃逸的粒子就成为洞外物质。

霍金对这几种情况发生的概率计算,结果是第2种可能性最常见,这样黑洞就有倾向的捕获反粒子,而正粒子则逃出黑洞成为可见物质。负能量被吸收,正能量损失,这就是黑洞能量或质量会不断减少,也就是黑洞蒸发或黑洞辐射的原因。

黑洞既然能够“蒸发”,也就是说黑洞不光会“吃”,而且也会“吐”,由此黑洞质量就会越来越小,慢慢消失了?

其实,我们一般人也可以看出,这种“蒸发”的能量是极其微小的,只是粒子级别的。根据黑洞理论,越大的黑洞视界内的温度越低,也就是温度和质量成反比,一个太阳这种质量的黑洞,温度只有10^-7K,就是0.0000007K,极端接近绝对零度了,因此辐射极其微量,实验室也无法探测到。

这就是说,越大的黑洞,蒸发得越慢,这种慢在黑洞的吞噬速度面前,完全可以忽略不计,慢得连宇宙都无法忍耐,直到宇宙即将灭亡的时候,一切恒星消失,黑洞也还在那里,然后没有任何物质吸收的情况下,还要经过许多万亿年后,黑洞才会完全蒸发掉。

但微型黑洞就不一样了。霍金计算发现,黑洞质量越小,温度越高,辐射也就越强,因此所谓的黑洞蒸发,只有对微型黑洞才特别有意义。

而科学家制造的黑洞,就是这种瞬间蒸发的微型黑洞理论上,微型黑洞是没有办法吸积(也就是吞吃物质)的,因为在它们还没来得及贪吃时,就蒸发掉了。

前面说了,黑洞是在极高压力下,将物体质量压缩进自己的史瓦西半径。科学家们如何制造出极其强大的压力,制造出微型黑洞呢?这就得益于人类制造出了可以产生巨大压力,又能制造超级真空和低温的大型强子对撞机了。

欧洲强子对撞机是世界上最大的对撞机,埋在地底100米深的环形隧道有约27公里长。科学家们采用极大能量,将两束以相反方向运动的原子、离子、质子等粒子加速到接近光速,然后让它们在某一时刻突然发生对撞。

这种对撞的力量惊天动地,能制造出超高的压力、温度,理论上就有可能制造出微型黑洞。事实上,科学家们已经在这个加速器里面,采用两束分别达到光速99.99%以上速度的铅离子对撞,制造出了宇宙大爆炸后1秒钟的状态。

这种能量爆发只是原子级别的,而且只是极短的瞬间,需要极其精密的仪器才能够捕捉到。事实上,精密仪器捕捉到了超高密度超高温度的等离子夸克汤状态,瞬间温度达到10万亿度,但没有发现微型黑洞的影子。

理论上这种碰撞应该出现黑洞,没有发现或许只是我们的仪器还不够精密。在现实世界,几乎每天每时每刻,都有来自太空的高能量射线击中地球大气粒子,这种超高速碰撞,理论上也会像大型强子对撞机里面一样产生微型黑洞,但都瞬时消失了,人类已经发射了许多捕捉这些现象的卫星和探测器,不过迄今还没有捕捉到这类微型黑洞。

因此,如此小的微型黑洞是不会吸积的,也就是不会吞噬物质,而是会瞬间蒸发(或者说爆发)得无影无踪,这就是科学家们敢于制造微型黑洞的底气。看了我的解释,有这方面疑惑和担忧的朋友应该释怀了吧?谢谢阅读,欢迎讨论。

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评论
科普61380b22dfed5
进士级
物质被压缩进自己临界点之后,就会无限坠落到核心一个无限小的奇点上,而史瓦西半径,就是在奇点周围形成的一个曲率无限大的球状无物的空间。
01.13
smxh676
少傅级
负能量被吸收,正能量损失,这就是黑洞能量或质量会不断减少,也就是黑洞蒸发或黑洞辐射的原因。
01.13
勐来中心校肖国华
进士级
既然墨洞吞噬一切,为啥科学家还敢制造,难道不怕把自己吞掉?
01.13