【腦洞系列】黑洞可以變成人類實驗室嗎?科學家:如果有黑洞誰還用粒子對撞機

天空之城 2020/11/07 檢舉 我要評論

毫無疑問,黑洞是這個宇宙中最危險的地方,任何靠近它的物質,都沒有好下場。

在宇宙中,黑洞的引力是最強的,以至於在相當大的范圍內,連宇宙中最快的光都無法逃脫,這個范圍就是黑洞的事件視界。對於沒有達到光速的物質來說,即使在事件視界之外,都非常有可能不可逆轉地墜入黑洞的深淵。

如果有一個微觀粒子靠近黑洞的事件視界,那麼它就會在黑洞的引力下向黑洞墜落,並且隨著距離越來越近,它的速度也越來越快。最終,在到達事件視界後,就再也無法回頭,外面的人也再也看不見這個粒子了。

但是,這只是一個孤獨的粒子墜入黑洞的案例。如果是兩個粒子,那麼事情就會變得非常有趣。科學家不僅僅寄希望於看到它們兩個共同墜入黑洞的深淵,甚至認為我們未來反而可以借助其中的物理學機制,將黑洞改造成為人類物理學研究的重要工具—— 粒子加速器,幫助我們進行一些地球上可能無法實現的物理實驗。

從19世紀末開始,人類就真正發現了宏觀物質下隱藏的微觀粒子,並且發現了分子、原子、質子、中子以至於誇克。在發現這些微觀粒子的過程中,很多物理學家都採用了一種方法,那就是將微觀粒子撞碎,好看看裡面到底有什麼更小的粒子。

撞碎這些微觀粒子不是一件容易的事,我們需要有極高的能量。用腳後跟想也知道,粒子飛得越快,能量也就越高,因此物理學家們一直致力於建造足夠強大的設備,能夠將微觀粒子加速到接近光速,然後互相撞擊,從而觀測這個過程中的現象和可能出現的粒子等資訊。

為此,世界各國的科學家們建造了大量的粒子加速器,最著名的就是歐洲的大型強子對撞機、美國的費米國家加速器實驗室、中國的北京正負電子對撞機等等。這些粒子加速器具有極高的能量,可以將重子加速到光速的級別,但也要付出極大的努力。

以大型強子對撞機為例,它能夠將粒子加速到光速的99%,但為了實現這一點,它需要給粒子提供一個長達27公里的環形加速通道!同時,為了保證粒子飛行過程中不會遇到空氣阻力,這個通道內必須達到高度真空,甚至和太空一樣。

(圖片說明:大型強子對撞機)

巧了,這不就是黑洞的特點嗎?黑洞所具有的能量,沒有任何一個人會質疑。而黑洞所在的位置,正是宇宙的太空之中。我們花那麼大力氣才能創造出來的實驗環境,黑洞毫不費力就做得比我們更加完美。

當然,如果還是像剛才說的那樣,只有一個粒子在黑洞附近,那麼墜入黑洞恐怕是它唯一的命運。但是,如果是兩個粒子,情況就不一樣了。毋庸置疑,也不是隨便兩個粒子就能夠達到我們的要求,這一切還需要一些精心的設計。

假設有兩個微觀粒子靠近黑洞的事件視界,那麼就像我們正常推測的那樣,它們會首先加速向黑洞下落。但是,如果它們有一個非常巧妙的速度和方向組合的話,它們就會發生完美的反彈。反彈的結果是兩個粒子命運截然相反,一個墜入黑洞的深淵,另一個巧妙地繞過黑洞的事件視界逃出生天,同時速度已經接近光速。

雖然聽起來充滿了機緣巧合,但是從理論上來說這一點是行得通的。先前的研究證明,粒子是可以發生這樣高能碰撞的,但是這要取決於二者碰撞的一瞬間距離事件視界有多近。

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