物理学家为什么要在地球上制造黑洞？
2020-11-04 20:30
本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue）
大型强子对撞机是物理学界搜寻新粒子的前沿。但对一些物理学家来说，他们期待的是另一件事：在对撞机中制造来自高维时空的黑洞……
黑洞距离我们可以有多近？
今年5月，欧洲南方天文台发现了可能是迄今为止离我们最近的黑洞。这个黑洞位于南天的望远镜星座，它和两颗恒星组成了一个名为HR 6819的三体系统。
当然，该天体是否属于黑洞还存在争议。如果结论得到证实，黑洞到地球的最短距离将从此前的3000光年缩减到1000光年，而且这也是第一个肉眼就能看到的黑洞系统（前提是在南半球进行观测）。
不过，在天文学观测之外，黑洞可以离我们再近一点吗，甚至就出现在地球上？
虽然这听上去像是奇谈怪论，但一些物理学家早在上世纪末就开始考虑，如何在地球上制造出黑洞。而制造黑洞的场所，就是当今最高能的对撞机——大型强子对撞机（LHC）。
听到这，你是不是在想：如果黑洞真的出现了，会把地球上的物质都吸进去，甚至摧毁地球吗？别急，在恐慌之前，让我们首先来思考这个问题：到底什么才是黑洞？
在我们的印象中，黑洞都是宇宙中的庞然大物。的确，目前我们已经发现的黑洞中，即使最小的，质量也有太阳的5倍，它们的引力强大到可以撕碎恒星，吞噬地球更是不在话下。
但在理论上，根据广义相对论，任何物体的引力都会使周围的时空弯曲。当我们压缩足够的倍数，直至时空曲率大到连光线也无法逃出时，这个物体就变成了一个黑洞。
根据计算黑洞大小的史瓦西半径计算公式（r=2GM/c2），无论是太阳、地球还是肥宅，都可以被压缩成黑洞：
由此我们可以看出，质量越轻的物体，要形成黑洞，需要压缩的程度就越高，形成的黑洞密度也越大。
因此理论上来说，最小的黑洞同时也是密度最大的黑洞。物质理论上的最高密度是普朗克密度：5.155×1096kg/m3，带进史瓦西半径计算公式，就可以知道：最小的黑洞质量10-8千克。物理学家希望在对撞机中制造的目标，就是这样的微型量子黑洞。
2009年，LHC开始工作。在LHC中，压缩的对象是基本粒子——质子。LHC可以让质子拥有7万亿电子伏特的能量，根据质能方程E=mc2，这时质子质量为10-23千克。相比于质子本身的静止质量（10-27千克），已经提升了很多。当两个这样的高能质子碰撞，能量就会被压缩到一个很小的空间内。
但前面我们说了，理论上最小的黑洞是10-8千克，对撞机中的质子与其相差了15个量级。也就是说，对撞机的能量需要增强1015倍，才能让质子变成黑洞。
在我们的有生之年，如果大幅度的提升，显然不切实际。但刚才这一切的前提是，空间如我们所见，只有3个维度。如果空间还隐藏着更高的维度，情况就不一样了。而这里的关键就是引力。
在三维空间中，引力和距离的平方成反比。为了理解这一点，我们来想象这样的场景：距离引力源1米时，引力被分散到半径1米的球面上；距离减半，引力就被集中到了半径0.5米的球面上，每一点的引力是之前的22也就是4倍。
同理，如果是一个二维空间，引力就沿着圆周分布，因此与距离的一次方成反比。
同理类推，在n维空间中，引力随距离的（n-1）次方成反比：
随着额外维度的增加，引力的增长是指数级的。将近20年前，科学家就在理论上证实了，如果空间有7个维度，在对撞机里制造黑洞理论上是可行的。也就是说，如果弦理论或者M理论得到证实，那么制造黑洞在理论上具有可行性。而且制造黑洞的速度可能还不慢——一秒一个。因此，他们将对撞机称作黑洞工厂。
如果对撞机里真的能撞出黑洞，这些黑洞的最终结局是什么？霍金的理论给出了答案。
上世纪70年代，霍金提出著名的霍金辐射：任何黑洞，在吸收物质的同时，也在向外辐射能量，不断蒸发。而量子黑洞会辐射能量很高的粒子，同时质量下降。当它的质量达到普朗克质量，黑洞会瞬间湮灭。整个过程，只需要10-26秒。也就是说，远远不到一眨眼的功夫，黑洞产生，又消失了。
好在，这个过程释放的高能辐射，还可以在对撞机中留下印迹。研究人员可以寻找这些痕迹，来判断对撞机里有没有黑洞出现过。
到现在，“黑洞工厂”已经运行超过10年，但寻找黑洞的进展却一无所获。现在，对撞机的能量已经提升至13万亿电子伏特，但可能来自黑洞的信号没有出现，这时的引力也没有表现出高维空间的特征。
这说明什么？或许高维空间根本不存在，在地球上制造黑洞只是妄想；又或者，我们低估了制造黑洞所需的能量，目前的对撞机还不能达到这样的能级。
就在近期，欧洲核子研究中心宣布将升级LHC，并建造更高能的未来环形对撞机。到那时，黑洞能够现身吗？要等待答案，我们或许还要等上几十年。
所以说，物理学家为什么要尝试制造黑洞？在对撞机中制造黑洞，其实有着深刻的科学意义。
首先，刚才提到的黑洞理论——霍金辐射还没有得到证实。这是因为根据这个理论，质量越大的黑洞，释放辐射的温度越低。我们找到的黑洞质量的都太大了，它们的辐射弱到难以观测。但如果量子黑洞存在，它们释放的高能辐射，就有可能成为霍金辐射理论的证据。
量子黑洞还可以帮助我们寻找高维空间。在我们的印象中，额外的空间维度，似乎只是存在于科幻中的概念，因为即使隐藏着的更高维度存在，三维空间中的我们也无法直接触碰。但通过寻找黑洞湮灭的踪迹，我们有机会证实隐藏的维度，探索高维空间的性质。
最后，量子黑洞意味着人类对于“小”的探索达到一个新的阶段。从尘埃到原子，从质子到夸克，人类一再刷新着对“最小”的定义。现在我们知道，物理学中有意义的最短距离是普朗克长度。再短，空间的概念就不存在了。如果我们能制造出黑洞，它将触及最“小”的边界。
本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：h'q'k'x