圖片來源:歐洲核子研究委員會 每次我們拓展尖端科學(xué)的知識時,總會遇到風(fēng)險,還有所期待的報酬。風(fēng)險有很多,如發(fā)現(xiàn)新事物的失敗、原先計劃好的實驗的徒勞,甚至出錯可能帶來的破壞;但是報酬會很可觀,包括解鎖新知識和新技術(shù)的發(fā)展,還有整個人類科學(xué)事業(yè)的進步。 歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)就是體現(xiàn)這一切的地方之一,我們在這里以粒子加速器所能達到的最高能量碰撞粒子。兩年前,我們打破了在費米實驗室創(chuàng)下的舊紀錄—2電子伏特(兆電子伏特,或者10^12 電子伏特),通過將每個粒子加速到3.5電子伏特并將它們碰撞在一起,然后取得了總能量7電子伏特。這個發(fā)現(xiàn)不僅使我們創(chuàng)造了大量難以捉摸的基本粒子(比如頂夸克,還有W和Z玻色子),還讓我們發(fā)現(xiàn)了一個嶄新的基本粒子和在標(biāo)準模型中最后一個未被發(fā)現(xiàn)的粒子:希格斯玻色子。
圖片來源:費米實驗室/費米國家加速器實驗室 大型強子對撞機的升級使我們現(xiàn)在能夠到達某處在總能量13-14電子伏特之間(這取決你問誰)。如果我們真的幸運的話,這種巨大能量下發(fā)生的大量碰撞,再加上我們擁有的令人難以置信的探測器,可能會讓我們在實驗室里發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造出前所未見的粒子。當(dāng)然,這并沒有阻止那些經(jīng)常懷疑的人做出令人難以置信(或者完全不可信)的聲明,如: 大爆炸理論可能會被大型強子對撞機揭穿,并且這種對宇宙地揭穿可能會形成一個吞噬我們的黑洞,最終摧毀宇宙。盡管前兩個是糟糕的科學(xué)報道,但第三個卻是常見的恐懼,它一次次的抬起它丑陋的頭,沒有任何現(xiàn)實依據(jù)。
有許多理論預(yù)言有其他維度的存在。不僅是我們所知的三維空間和一維時間維度出現(xiàn)在我們的四維時空里,我們的宇宙至少還存在另一個時空維度。雖然我們不能以我們所探測到的能量來獲得那些維度,但可以想象的是,在我們已研究的更小尺度里—與更高能量相對應(yīng)—這些額外的維度是存在的。 并且如果這些額外的維度存在的話,理論上它可能會形成一個小至顯微鏡可見的黑洞!
圖片來源:美國國家航空航天局/噴氣推進實驗室-加利福尼亞理工學(xué)院 如果我們能夠做到這一點的話,這將是一項令人難以置信的科技成就,并且是一個將永遠改變我們對宇宙認知的驚人的證據(jù)。當(dāng)然,在你說到“黑洞”這個詞的時候,人們會馬上想到一幅某物吸食各種物質(zhì),逐漸吞噬掉組成我們世界的質(zhì)子、中子和電子,并且最終摧毀整個世界的悲慘畫面。 這是不可能的。事實上,我們知道有很多原因這是不可能的。讓我們一個一個過一遍。
圖片來源:皮埃爾·奧格爾天文臺 如果這些微型黑洞真的存在,地球早已被撞擊了數(shù)十億年了,然而地球卻依舊存在。 當(dāng)然,我們從未在以前的實驗室里創(chuàng)造出這種能量的粒子,但在能量最高的時候—比我們在大型強子對撞機里創(chuàng)造的大一億倍—粒子猛烈撞擊地球:超級宇宙射線從四面八方轟擊我們。 宇宙射線通量(粒子單位面積)對比能量(在電子伏特中,最高能量相當(dāng)于1焦耳;10^12電子伏特相當(dāng)于大型強子對撞機爆發(fā)的能量) 這些黑洞如果真的存在,在整個太陽系的歷史中,會一直轟擊地球(包括所有行星),還有太陽,但還沒有確切的證據(jù)證明太陽系里的任何一個天體變成黑洞或者被另一個吞噬掉。 但也許你會反對,這些物體移動太快,只是穿過地球,因為吞噬的物質(zhì)太少而不能留在里面。好吧,如果這就是你反對的意見,也許第二個原因為什么這是可能的會幫到你。
圖片來源:奧羅拉·西莫內(nèi)特 2.)如果你真的創(chuàng)造了一個微型黑洞,它們將會穿過霍金輻射在極小的時間尺度上衰退。 如果真的有另外的維度,可以想象的是,它們可能是一種特殊的類型,允許(同樣罕見但似乎合理的)微型黑洞的形成。這個黑洞最大的質(zhì)量會跟質(zhì)子間碰撞產(chǎn)生的能量相等,或者達到13-14電子伏特。通過E=mc^2,它對應(yīng)的質(zhì)量是5×10^(-20)克,很可能更小。 但即使你能創(chuàng)造合適尺寸、類型的其他維度,但要形成一個黑洞,你還有一個問題:它不穩(wěn)定。根據(jù)量子力學(xué)定律,這個黑洞將會在霍金輻射的作用下衰變。對于質(zhì)量為5 x 10^- 20g的黑洞,在三維空間中的衰變時間大約是10^-83秒,這甚至還不夠存在的時間。要使這項物理變得有意義,我們需要10^-43秒或更長的時間。轉(zhuǎn)換成黑洞的質(zhì)量,我們至少需要將它轉(zhuǎn)換成0.00002克才有可能存在。 然而,在四維空間里,尤其是當(dāng)“額外的”空間更大時,衰變的時間會一直持續(xù)到10^-23秒。為了戰(zhàn)勝這個微型黑洞的預(yù)期衰變,你必須拋棄所知的物理定律。這些定律都太根深蒂固,所以很難相信它們會是錯的—就像明天你起床看見太陽從西邊升起一樣難以相信。 但為了討論的方便,我們假設(shè)還有我們沒有想到的可以使這些黑洞穩(wěn)定的物理定律。所以你創(chuàng)造了一個黑洞—一個小型的黑洞—相對于地球中心處于靜止?fàn)顟B(tài),而且它不會衰變。它會吞噬掉地球嗎?如果會,有多快?這就引出我們第三個也是最后一個反對意見,記?。何覀円呀?jīng)允許你兩次拋棄已知的物理定律來獲得這一點。
圖片來源:NASA, S. Gezari(約翰霍普金斯大學(xué))和J. Guillochon(加州大學(xué)圣克魯茲分校) 你可以計算黑洞吞噬物質(zhì)的速度,它甚至都不像我們星球壽命那么短。 我們喜歡把黑洞想象成吞噬物質(zhì),但事實是,它們只能通過引力相互吸引。當(dāng)質(zhì)量為~5 x 10^-20克時,它所產(chǎn)生的引力非常微弱:它所能做的就是穿過地球中心,然后再出來,再跟它希望的那樣與基本粒子發(fā)生碰撞。然而黑洞的橫截面很小,而質(zhì)子(或中子)的橫截面卻相當(dāng)?shù)拇?,所以,為了便于論證,我們可以假設(shè),每次黑洞撞擊一個質(zhì)子或中子的時候,它也在吸收它們。
圖片來源:歐洲核子研究中心/阿特拉斯實驗 假設(shè)它吞噬掉每個它接觸的質(zhì)子、中子或電子—同時考慮到它的重量,看看它會吸收什么—它每秒大約會吞噬掉66000個質(zhì)子和中子。當(dāng)然,66000個質(zhì)子和中子質(zhì)量很?。?.1 x 10^-25克。直到黑洞變得足夠大的時候,增長率才會保持不變;只有增長到大約10億公噸時候,這個黑洞才會開始以比它現(xiàn)在更快的速度增長,因為它的橫截面需要這么長的時間來增長。每秒捕獲66000個核子,需要多長時間才能讓黑洞達到1千克?3萬億年,比太陽甚至宇宙的壽命還要長。
圖片來源:美國國家航空航天局/威爾金森微波各向異性探測器科學(xué)團隊 所以盡管你創(chuàng)造了一個黑洞、知道那些物理定律是錯的,它永遠存在,它仍是無害的。不管你拋棄了多少物理定律,修正或調(diào)整,地球還是會沒事的。
圖片來源:美國國家航空航天局/阿波羅17 所以振作起來!我們都準備好去探索物理學(xué)的前沿了,并且用一種完全安全的方式增加我們對宇宙的知識和了解。任何你對我們星球會被黑洞吞噬的恐懼都是不合理的。現(xiàn)在,用科學(xué)知識武裝自己,你可以放心了,這個世界是安全的,至少在物理學(xué)上是這樣子。 作者: Ethan Siegel |
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