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人造黑洞!大型對撞機是如何“撞出黑洞”的?需要多大的能量?

前不久,在《科學請回答2021》影片節目中,科普作家嚴伯鈞和王貽芳院士進行了一場關於大型對撞機能否“撞出黑洞”的對話,王貽芳院士當即表示從理論上來說,大型對撞機是有可能“撞出黑洞”的,但從定量上計算的話是不可能的。

人造黑洞!大型對撞機是如何“撞出黑洞”的?需要多大的能量?

今天,我們就來聊聊,對撞機真的可以“撞出黑洞”嗎?如果黑洞真的出現了,會把地球上的物質都吸進去,甚至摧毀地球嗎?

要想知道這些問題的答案,我們先來看這樣一起案件。

2008年3月,在歐洲最高能的對撞型粒子加速器——大型強子對撞機(LHC)試運轉的前六個月,歐洲人權法院受理了這樣一起案件,一批持反對態度的歐洲科學家對資助該專案的20個歐洲國家提出起訴,並申請對歐洲核子研究中心(CERN)啟動LHC發出緊急禁令,要求立即停止LHC的實驗。

人造黑洞!大型對撞機是如何“撞出黑洞”的?需要多大的能量?

據德國化學家奧托·勒斯勒爾教授的說法,在LHC中的兩個粒子高速相撞時,有可能會產生一個微型黑洞,它將以指數倍的速度膨脹,並由內向外地吞噬地球,最壞的情況下,地球將在4年內消失。

而這個說法也在之後得到了試圖啟動LHC的歐洲核子研究中心(CERN)的承認。一時間,對於LHC的安全擔憂得到了媒體廣泛的關注,而《泰晤士報》、《衛報》、《獨立報》、《悉尼先驅晨報》以及《時代週刊》先後發表的與LHC有關“末日恐慌”言論的報道也引起了公眾的恐慌。

為了平息公眾對於LHC安全問題的擔憂,歐洲核子研究中心(CERN)委託了一批沒有任何組織的科學家來評估其相關風險,而在隨後的報告中,他們總結道,目前的粒子實驗,例如RHIC和LHC中的粒子碰撞,不會產生任何威脅。

人造黑洞!大型對撞機是如何“撞出黑洞”的?需要多大的能量?

CERN之後又委託了一批隸屬於中心但不參與LHC專案的物理學家做了另一次評估,並發表在2008年6月的報告中,他們一致認為,即使LHC在粒子對撞時形成了一個微型黑洞,但它們也會由於霍金輻射而瞬間蒸發。這份報告得到了20位CERN外部科學家組成的委員會和美國物理學會粒子和場部執行委員會的稽核和認可,隨後在受同行評審的刊物《物理學雜誌G》中發表。發行這一刊物的英國物理學會也認可報告的結論。

在聽取了歐洲核子研究中心(CERN)的報告結果後,歐洲人權法院駁回了對LHC發出緊急禁令的請求。從這起案件中我們就得到了答案,對撞機從理論上講是有可能“撞出黑洞”的,但在黑洞出現的那一刻就會瞬間蒸發。

人造黑洞!大型對撞機是如何“撞出黑洞”的?需要多大的能量?

當然,一切理論的結果都源於自實踐。我們雖然無法控制黑洞,但可以計算對撞機“撞出黑洞”所需的能量。

根據計算黑洞大小的史瓦西半徑計算公式(r=2GM/c2),我們得出結論,太陽、地球都可以被壓縮成黑洞。而質量越輕的物體要形成黑洞,所需要的壓縮程度就越高,形成的黑洞密度也就越大。

也就是說,質量最小的黑洞同時也是密度最大的黑洞。而目前我們可以接觸到的物質最高密度是普朗克密度:5.155×1096 kg/m3,我們將其帶進史瓦西半徑計算公式得出,最小的黑洞質量為10-8千克。

人造黑洞!大型對撞機是如何“撞出黑洞”的?需要多大的能量?

而據公開資料顯示,LHC目前可以創造高達7Tev(萬億電子伏特)的能量,根據質能方程E=mc2,這時的質子質量為10-23千克。相比於質子本身的靜止質量(10-27千克),已經提升了很多。當兩個這樣的高能質子碰撞,能量就會被壓縮到一個很小的空間內。

前面我們得出,理論上最小的黑洞質量為10-8千克,而對撞機中的質子與其相差了15個量級。也就是說,對撞機的能量需要增強1015倍,才能讓質子變成黑洞。但以目前的技術要做到這一點,我們還有很長的一段路要走。

人造黑洞!大型對撞機是如何“撞出黑洞”的?需要多大的能量?

再者,就算對撞機真的“撞出了一個微型黑洞”,也會由於霍金輻射而消失。霍金輻射是以量子效應理論推測出的一種由黑洞散發出來的熱輻射,此理論由史蒂芬·霍金於1974年提出,霍金認為,當黑洞在向內吸收物質的同時,也在向外輻射能量不斷蒸發,一個大黑洞會非常緩慢地失去能量,但一個小黑洞會在眨眼之間蒸發。

而據歐洲核子研究中心(CERN)官方報道,他們將對LHC進行升級,建造一個規模更大、能量更高的未來環形對撞機(FCC),據專案負責人透露,FCC專案研究了以下三種不同型別粒子碰撞的場景:

  • 稱為FCC-hh 的對撞機設計中的強子(質子-質子和重離子)碰撞
  • 稱為 FCC 的對撞機設計中的電子-正電子碰撞-ee
  • 以及稱為 FCC-eh 的對撞機設計中的質子-電子碰撞

人造黑洞!大型對撞機是如何“撞出黑洞”的?需要多大的能量?

在 FCC-hh中,每個光束的總能量為560 MJ(兆焦耳)。質心碰撞能量為 100 TeV,總能量值增加到 16.7 GJ(吉焦耳)。這些總能量值超過目前的 LHC 近 30 倍。到那時,FCC是否滿足製造微型黑洞的“要求”,讓我們拭目以待。

分類: 歷史
時間: 2021-11-30

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