這種很亮的黑洞是科學(xué)家的夢(mèng)寐以求

2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一張黑洞照片發(fā)布，黑洞的存在有了直接的視覺證據(jù)。緊接著在2020年，彭羅斯、根澤爾、格茲三位研究黑洞的科學(xué)家獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是諾貝爾獎(jiǎng)首次頒發(fā)給研究黑洞的科學(xué)家，彼時(shí)距1916年史瓦西計(jì)算出黑洞已過(guò)去100多年。今天黑洞仍是現(xiàn)代物理學(xué)及天文學(xué)的研究熱點(diǎn)，有理由相信關(guān)于黑洞的研究會(huì)在接下來(lái)的幾十年里取得更多諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的發(fā)現(xiàn)。

關(guān)于黑洞的研究，公眾比較熟悉的科學(xué)家是史蒂芬·霍金。他在2018年去世，如果他尚健在，很可能會(huì)和彭羅斯因發(fā)現(xiàn)奇點(diǎn)定理一起登上2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。霍金生前被人無(wú)數(shù)次問(wèn)到為什么拿不到諾貝爾獎(jiǎng)？什么時(shí)候能拿諾貝爾獎(jiǎng)？霍金對(duì)這種問(wèn)題并沒(méi)有避諱，直言如果歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)制造出黑洞，他就能拿到諾貝爾獎(jiǎng)。

目前人類已經(jīng)在宇宙中發(fā)現(xiàn)了兩種黑洞。一種是超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的幾百萬(wàn)至幾百億倍。另一種是大質(zhì)量的恒星死亡后在萬(wàn)有引力作用下塌縮成的恒星型黑洞，質(zhì)量一般為幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量至幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。至于霍金說(shuō)的對(duì)撞機(jī)里制造出的黑洞，那是另外一種黑洞，目前還只是理論上的存在。這種黑洞質(zhì)量也不會(huì)像太陽(yáng)那么大，而是非常小。并且這種黑洞也不黑，很可能發(fā)出耀眼的光芒。

理論上，將一個(gè)物體壓縮到史瓦西半徑以下，就不會(huì)有任何力量能夠阻擋物體各部分間萬(wàn)有引力的作用，整個(gè)物體會(huì)因塌縮集中到一個(gè)點(diǎn)上，附近時(shí)空曲率大到連光也無(wú)法逃逸，物體因此會(huì)變成一個(gè)黑洞。比如地球的史瓦西半徑是9mm，將地球壓縮到9mm以下，地球就會(huì)變成一顆黑洞。

一個(gè)質(zhì)子的體積和質(zhì)量都很小，但如果在這個(gè)質(zhì)子的體積內(nèi)集中了比較大的質(zhì)量，也能夠誕生出一個(gè)黑洞。大型對(duì)撞機(jī)可以給質(zhì)子提供能量，目前人類能量最高的加速器能夠?qū)①|(zhì)子加速到其靜止質(zhì)量的數(shù)千倍，然后兩個(gè)質(zhì)子迎頭相撞。有科學(xué)家期待質(zhì)子迎頭相撞時(shí)在那粒子的尺寸空間集中到足夠高的質(zhì)量，這樣就有可能制造出一個(gè)迷你黑洞。

黑洞是個(gè)貪婪的吃貨，能夠把周圍的物質(zhì)吞噬掉。大型對(duì)撞機(jī)制造出的迷你黑洞會(huì)不會(huì)把附近的人乃至整個(gè)地球吞噬？

的確有一些民眾對(duì)此表示擔(dān)心，并試圖阻止大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。不過(guò)擔(dān)心是多余的，阻止終歸是徒勞。科學(xué)家們不會(huì)擔(dān)心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)制造出迷你黑洞，甚至還有不少科學(xué)家期盼能夠制造出。因?yàn)榭茖W(xué)家清楚，這種黑洞不會(huì)將地球吞噬，甚至不會(huì)吞噬周圍的原子、分子，相反迷你黑洞還會(huì)耗掉自身質(zhì)量，閃出耀眼的光芒。

現(xiàn)代物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，空間中存在量子漲落，正反粒子對(duì)會(huì)隨時(shí)出現(xiàn)在空間任意位置。霍金運(yùn)用已有理論計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，如果一對(duì)正反粒子出現(xiàn)在黑洞視界附近，反粒子單獨(dú)墜入黑洞的概率要大于正粒子單獨(dú)墜入黑洞的概率，這樣就表現(xiàn)為黑洞釋放出粒子。這就是霍金的黑洞蒸發(fā)理論，霍金墓碑上的公式正是與黑洞蒸發(fā)有關(guān)。黑洞蒸發(fā)的快慢與其質(zhì)量有關(guān)，恒星型黑洞的壽命可達(dá)千百億年，超大質(zhì)量黑洞的壽命更是要高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。而迷你黑洞的壽命可以短到普朗克時(shí)間附近。

黑洞蒸發(fā)理論能夠很好地解釋一些問(wèn)題，也得到了很多科學(xué)家的認(rèn)同，只是目前還難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。如果對(duì)撞機(jī)的能量高到制造出了黑洞，這個(gè)迷你黑洞會(huì)瞬間蒸發(fā)掉，將至少數(shù)億個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量以電磁波或粒子的形式釋放出去，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)小不點(diǎn)黑洞不但不黑反而非常耀眼。

只是目前加速器的能量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到能夠制造出黑洞的程度。盡管如此，對(duì)黑洞的探索及研究一直火熱地進(jìn)行著。科學(xué)家們期待著有一天能夠觀察到迷你黑洞的耀眼光芒。