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在地球上制造暗洞,物理学家是想熄灭地球?

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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,他们憧憬的是另一件事:在对撞机中制造来自高维时空的暗洞 点击上方图片, 你将看到一个大胆的思想 暗洞距

  • 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,他们憧憬的是另一件事:在对撞机中制造来自高维时空的暗洞 ……

    点击上方图片,

    你将看到一个大胆的思想 ……

    暗洞距离吾们能够有众近?

    今年 5 月,欧洲南方天文台发现了能够是迄今为止离吾们比来的暗洞。这个暗洞位于南天的看远镜星座,它和两颗恒星构成了一个名为 HR 6819 的三体编制。

    自然,该天体是否属于暗洞还存在争议。倘若结论得到证实,暗洞到地球的最短距离将从此前的 3000 光年削减到 1000 光年,而且这也是第一个肉眼就能看到的暗洞编制。(前挑是在南半球进走不悦目测)

    不过,在天文学不悦目测之外,暗洞能够离吾们再近一点吗,甚至就出现在地球上?

    固然这听上往像是奇谈怪论,但一些物理学家早在上世纪末就开起考虑,如何在地球上制造出暗洞。而制造暗洞的场所,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:倘若暗洞真的展现了,会把地球上的物质都吸进往,甚至损坏地球吗?别急,在恐慌之前,让吾们最先来思考这个题目:到底什么才是暗洞?

    在吾们的印象中,暗洞都是宇宙中的重大无比。的确,现在吾们已经发现的暗洞中,即使最幼的,质量也有太阳的 5 倍,它们的引力重大到能够撕碎恒星,吞噬地球更是不在话下。

    但在理论上,按照广义相对论,任何物体的引力都会使周围的时空曲曲。当吾们压缩有余的倍数,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暗洞。

    按照计算暗洞大幼的史瓦西半径计算公式(r=2GM/c2),不论是太阳、地球照样胖宅,都能够被压缩成暗洞:

    由此吾们能够看出,质量越轻的物体,要形成暗洞,必要压缩的水平就越高,形成的暗洞密度也越大。

    因此理论上来说,最幼的暗洞同时也是密度最大的暗洞。物质理论上的最高密度是普朗克密度:5.155×1096 kg/m3,带进史瓦西半径计算公式,就能够清新:最幼的暗洞质量 10-8 千克。物理学家期待在对撞机中制造的现在的,就是云云的微型量子暗洞。

    2009 年,LHC 开起做事。在 LHC 中,压缩的对象是基本粒子——质子。LHC 能够让质子拥有 7 万亿电子伏特的能量,按照质能方程 E=mc2,这时质子质量为 10-23 千克。相比于质子自己的静止质量(10-27 千克),已经升迁了许众。当两个云云的高能质子碰撞,能量就会被压缩到一个很幼的空间内。

    但前线吾们说了,理论上最幼的暗洞是 10-8 千克,对撞机中的质子与其相差了 15 个量级。也就是说,对撞机的能量必要添强 1015 倍,才能让质子变成暗洞。

    在吾们的有生之年,倘若大幅度的升迁,隐微不确凿际。但刚才这总共的前挑是,空间如吾们所见,只有 3 个维度。倘若空间还暗藏着更高的维度,情况就纷歧样了。而这边的关键就是引力。

    在三维空间中,引力和距离的平方成逆比。为了理解这一点,吾们来想象云云的场景:距离引力源 1 米时,引力被松散到半径 1 米的球面上;距离减半,引力就被荟萃到了半径 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,倘若是一个二维空间,引力就沿着圆周分布,因此与距离的一次方成逆比。

    同理类推,在 n 维空间中,引力随距离的 ( n-1 ) 次方成逆比:

    随着额外维度的增补,引力的添长是指数级的。将近 20 年前,科学家就在理论上证实了,倘若空间有 7 个维度,在对撞机里制造暗洞理论上是可走的。也就是说,倘若弦理论或者 M 理论得到证实,那么制造暗洞在理论上具有可走性。而且制造暗洞的速度能够还不慢——一秒一个。因此,他们将对撞机称作暗洞工厂。

    倘若对撞机里真的能撞出暗洞,这些暗洞的最后局局是什么?霍金的理论给出了应案。

    上世纪 70 年代,霍金挑出著名的霍金辐射:任何暗洞,在摄取物质的同时,也在向外辐射能量,赓续挥发。而量子暗洞会辐射能量很高的粒子,同时质量消极。当它的质量达到普朗克质量,暗洞会瞬休休灭。整个过程,只必要 10-26 秒。也就是说,远远不到一眨眼的功夫,暗洞产生,又湮灭了。

    益在,这个过程开释的高能辐射,还能够在对撞机中留下印迹。钻研人员能够追求这些痕迹,来判定对撞机里有异国暗洞展现过。

    到现在," 暗洞工厂 " 已经运走超过 10 年,但追求暗洞的挺进却一无所获。现在,对撞机的能量已经升迁至 13 万亿电子伏特,但能够来自暗洞的信号异国展现,这时的引力也异国外现出高维空间的特征。

    这表明什么?也许高维空间根本不存在,在地球上制造暗洞只是妄想;又或者,吾们矮估了制造暗洞所需的能量,现在的对撞机还不克达到云云的能级。

    就在近期,欧洲核子钻研中央宣布将升级 LHC,并建造更高能的异日环形对撞机。到当时,暗洞能够现身吗?要期待应案,吾们也许还要等上几十年。

    于是说,物理学家为什么要尝试制造暗洞?在对撞机中制造暗洞,其实有着深切的科学意义。

    最先,刚才挑到的暗洞理论——霍金辐射还异国得到证实。这是由于按照这个理论,质量越大的暗洞,开释辐射的温度越矮。吾们找到的暗洞质量的都太大了,它们的辐射弱到难以不悦目测。但倘若量子暗洞存在,它们开释的高能辐射,就有能够成为霍金辐射理论的证据。

    量子暗洞还能够协助吾们追求高维空间。在吾们的印象中,额外的空间维度,益似只是存在于科幻中的概念,由于即使暗藏着的更高维度存在,三维空间中的吾们也无法直接触碰。但经过追求暗洞休灭的踪迹,吾们有机会证实暗藏的维度,追求高维空间的性质。

    末了,量子暗洞意味着人类对于 " 幼 " 的追求达到一个新的阶段。从尘埃到原子,从质子到夸克,人类频繁刷新着对 " 最幼 " 的定义。现在吾们清新,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。倘若吾们能制造出暗洞,它将触及最 " 幼 " 的边界。

发表时间:2020-11-12 | 评论 () | 复制本页地址 | 打印

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