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人造黑洞会成为人类和地球的终结者吗?

“人造黑洞会成为人类和地球的终结者吗?”,虽然人造黑洞有其理论基础,但是科学家认为以现在的 科技 水平,即使可以制造出黑洞也不会对地球产生威胁的。

黑洞是宇宙中一种非常特殊的天体,通常认为黑洞的中心是一种密度无限大的奇点,奇点产生的引力场强度足以使经过它附近的光被俘获,从而形成包裹奇点的事件视界。人造黑洞的理论基础其实就在于如何产生密度无限大的奇点,随着高能粒子加速器的发展,人造黑洞理论引发了人们的恐慌情绪, 在高能粒子加速器中,两束粒子以接近光速的速度进行对撞,构成粒子的物质由于碰撞效果会持续向碰撞中心塌缩,从而使制造密度无限大的奇点称为可能。

在欧洲大型强子对撞机建造时,由于“人造黑洞”理论被众多媒体广泛传播,一时引发了全球性的恐慌,许多人担心大型强子对撞机的运行会产生黑洞从而吞噬地球。而实际情况是, 欧洲大型强子对撞机自北京时间2008年9月10日下午15:30正式开始运作以来,进行过无数次的碰撞试验,但人造黑洞却从未被检测到。

在大型强子对撞机中,质子束会被加速到光速的99.9999991%,然后迎头相撞,从而产生上亿度的高温,但是如此高的能量为什么依然检测不到人造黑洞的存在?目前来看主要原因有一下几点:

1、人造黑洞太小

我们知道黑洞奇点处于密度极高的状态,如果用质量非常小的质子去“堆砌”奇点,那么奇点产生的事件视界就非常小了。目前测的质子的质量约为1.6726231 × 10^-27 kg,已知史瓦西半径公式为Rs=2GM/Vc^2,其中Rs为事件视界半径,G为引力常量,M为质子质量,Vc为光速,我们假设在对撞机中有一万个质子实现了完全的碰撞,从而产生出一个迷你黑洞,经过计算可知,这个黑洞的史瓦西半径大约为2.5× 10^-50米,这是一个极小的长度,比普朗克尺度(1.6x10^-35米)还要小十多个数量级,也就是说即使大型强子对撞机能够产生人造黑洞,我们也是无法检测到它的,因为它太小了,在这个尺寸下经典的引力与时空开始失效,甚至有学者认为,如果存在这么小的黑洞,即使它穿过整个地球,也不会与任何物质发生碰撞或者其他作用。

2、大型强子对撞机能量太小

在大型强子对撞机中,粒子束的能量可以被提升到70000亿电子伏特,对于我们来说这确实是非常惊人的能量,但是在宇宙中由于各种天体事件产生的高能射线可以达到10^20eV,这些高能射线和粒子猛烈的轰击着地球的高层大气,但是依然没有创造出黑洞。由此可见,大型强子对撞机中粒子束的能量肯定是无法制造出黑洞的,而且在实际的碰撞试验中,对撞机主要是来“撞碎”粒子,从而分析粒子的微观结构与物质组成。

3、霍金辐射

量子理论告诉我们,看似空无一物的真空其实在不停的诞生着虚粒子对,这些虚粒子一起诞生又瞬间互相湮灭,这就产生了一种可能,如果这些虚粒子对产生在黑洞附近,那么诞生的虚粒子对中,可能就有一个虚粒子会被吸进黑洞,而另一个虚粒子会转化为实粒子逃离黑洞,从而使黑洞损失质量,这个过程就是“霍金辐射”猜想。霍金辐射表明黑洞自身并非“只吃不吐”,随着时间的流逝黑洞也在不断的蒸发自身,已知霍金辐射表达式为T=(hc^3)/(8πkGM),式中T为黑洞温度,M为黑洞质量,二者为反比关系,也就是说黑洞质量越小则黑洞温度越高,而温度越高又会加剧质量的损失,这种“恶性循环”会导致非常微小的“粒子黑洞”在诞生的瞬间就被蒸发殆尽。

虽然高能粒子对撞机有可能制造出黑洞,但是对于目前的技术水平来说,即使能制造出黑洞,这种黑洞也是非常微小的,由于“霍金辐射”效应,这些迷你黑洞在诞生的瞬间可能就蒸发爆炸了,并不会对地球产生威胁。

虽然太阳这种黄矮星晚年并不会坍塌成黑洞, 但在距离太阳1.5亿公里的地球上生存的人类,目前却有办法来“人造黑洞” ,具体方法就是建造功率更大的加速器,将两个粒子加速到接近光速的水平然后让它们相撞,严重质增效应下的两个粒子在撞击瞬间可能会形成微小的“人造黑洞”

但霍金辐射毕竟还是一个没被证明的理论,所以我们不排除微型黑洞诞生后吞噬周围物质而发展壮大的可能性,如果未来人类世界的超级对撞机达到“黑洞功率”的话, 新产生的黑洞将会在短时间内吞噬整个对撞机然后开始“蚕食”地球本身。

整个过程中黑洞质量会不断增加,其吞噬速度也会越来越快,可以说“人造黑洞”是目前最有可能短时间内灭绝人类文明的灾难, 其速度要比小行星撞击或者核战争快得多。

刘慈欣在《三体》中曾经描述过一个人造黑洞”,这个黑洞在被环日加速器制造出来后并没有完全蒸发, 而是被导入了一颗小行星中央 ,吸收了小行星质量的黑洞开始趋于稳定,人类也开始在安全距离外研究它。

其实人类已经制造出不少黑洞了,丝毫没有对地球甚至周边环境产生任何威胁。

人造黑洞的设想最早由加拿大不列颠哥伦比亚大学的威廉·昂鲁教授提出,他于上世纪八十年代采用流体方法制造黑洞,加速流体超过音速时,会在中心生成一个黑洞,这种黑洞没有足够的引力,只能吞下声音,对周围所有东西毫无作用力,但演示了黑洞的某些性质。

2005年3月18日,美国布朗大学物理教授霍拉蒂·纳斯塔西制造了一个更接近真实的黑洞,他在重子对撞机中让两个接近光速的大原子核(如金原子核)相撞,产生了3亿倍太阳表面的温度,实际上就是一个很小很小炽热的火球。这个火球看起来并不像黑洞,但具备了黑洞的某些性质,可以把周围10倍于自身质量的粒子吸收。

这是一个重大突破,说明黑洞是可以认为制造出来的。

中国南京东南大学的崔铁军团队也做了一个黑洞,这个黑洞是电磁黑洞,通过电磁波的传播轨迹类比引力场下弯曲空间中的运动轨迹,揭示了真实黑洞的部分性质。

这套大型强子对撞机坐落在欧洲瑞士日内瓦近郊,全称Large Hadron Collider,简称LHC,地下的环形隧道长27.36公里,可以将粒子加速到光速的99.99%,粒子碰撞点温度可以达到太阳中心温度的10万倍,而粒子运行加速腔的工作温度则可以低到1.9K(-271.3摄氏度),腔内气压可低达10^-13地球海平面气压,也就是比月球极度真空还低10倍。

在这人造极端环境下,可以制造出宇宙大爆炸刚开始那一瞬间的状态,当然也可以制造出一个人造黑洞。

但这种环境和状态都是极其微观的,粒子级的,这种粒子级的黑洞是很难捕捉到的,因为它们即便穿透相当地月距离厚度的钢板,也可能不碰到一个原子,而且瞬间就会蒸发掉,对周边环境没有任何损害性影响。

专家经过深入的研究后得出结论,利用粒子碰撞产生的黑洞所释放出的射线,远远大于其吸收的物质,因此这种黑洞在吸收物质之前就蒸发殆尽了。

事实上,我们宇宙就是一个超大型的碰撞机加速器,每时每刻都有无数地高能粒子撞击地球大气表层,这些撞击可能产生了无数个微型黑洞,但地球安然无恙,我们毫无察觉。

事实上真是这样,虽然科学家们在这台大型强子对撞机里制造了很多奇迹,观察到了宇宙大爆炸瞬间的极端状态,但没有捕捉到一个真正的黑洞。

可以肯定的是,在这些极端状态下,黑洞时出现过的,这种粒子级的微型黑洞稍纵即逝,像鬼魅般的存在。

科学家们认为,这种黑洞即便要吞噬一个质子,也需要100个小时,因此其吞噬1毫克物质,要花比宇宙寿命还要长的时间。与之相对应的是,由于辐射对质量的丢失,在它还没有吞噬掉一个质子时,这个黑洞早就被蒸发掉了。

人类目前还没有能力制造更大一点的微型黑洞,因此所谓人造黑洞会终结人类的担忧,至少在可预见的未来还是多余的。

就是这样,欢迎讨论。

科学家们早就有了这种设想,造一个黑洞来进行科学研究。于是就有了许多传言,认为如果造出一个黑洞,人类和地球都会被自己造的黑洞吞噬,其实是多虑了。

人造黑洞的起因是弦理论,为了证明弦理论,科学家曾经设想,需要在实验室里建立一个宇宙,但这是不可能的。进而就设想,如果在距我们一毫米的地方有一个平行宇宙,可能大型强子对撞机有可能可以做到,我们可以利用大型强子对撞机造一个“微型黑洞”。

后来科学家们又有了理论支持,爱因斯坦在1935年首次提出,黑洞可能会以亚原子粒子的形态出现。“微型黑洞”后来又被霍金再次提出,他证明黑洞会蒸发,并发出微弱能量。在亿万年间黑洞不断散发能量,以至于逐渐缩小,最终变得像亚原子粒那么大。

有了这两个理论的基础,科学家们的胆子就大了,科学家们设想,如果有了大型强子对撞机,就有可能制造出一个微型黑洞,物理学家们对此兴奋不已。

科学家们早就知道,黑洞是在大量物质被压缩到史瓦西半径时形成的,因此黑洞也可以通过压缩能量来制造。大型强子对撞机是否可以在14万亿电子伏特的能量下,将两个质子对撞从由此产生的碎块中制造出微型黑洞,人们非常期待。科学家指出,这些黑洞非常小,可能只有一个电子质量的1000倍那么重,而且只能维持10﹣²³秒。但是所创造出来的亚原子粒子轨迹可以清晰可辫,我们就可以对黑洞的特性进行直观的研究。

实际人类已经制造出了人工黑洞。2005年3月18日,美国布朗大学物理教授霍拉蒂·纳斯塔西在实验室制造出了第一个人造黑洞。2009年,中国东南大学也造出了人工黑洞。它们都在瞬间就蒸发了。

由此可见,人造黑洞是有可能的,它绝对不会对人类带来任何危险。

自然界的黑洞都是来源于大质量的天体发生重力坍缩。在大质量恒星演化到生命末期时,由于其内部的元素都聚变成了铁,铁的核聚变反应吸收的能量大于释放出来的,这使得恒星内核冷却。没有了辐射压支撑起恒星质量带来的巨大重力,恒星就会发生极速的收缩。大量的恒星物质会撞击在内核上,引起超新星爆发。

图:超新星爆发

超新星爆发会形成铁以后的元素,并向太空中抛洒出大量的物质。如果剩下的内核质量大于3.2倍太阳质量(奥本海默极限),就没有什么力量可以阻挡其坍缩了。它会坍缩成为一个奇点。奇点巨大的密度会扭曲周围的时空,使得在一定范围内光都无法逃脱它的引力,这个范围被称为黑洞“视界”。

图:黑洞

这个视界范围是可以通过计算得到的。在1915年爱因斯坦发表广义相对论后,物理学家史瓦西就通过广义相对论得到一个特殊的解,这个解就是著名的史瓦西半径:

由于G(万有引力常数)、c(光速)都是常数,这个式子可以写成这样:

从上式可以看出,任何有质量的物体都有“视界”,也就是说,它们都能够成为黑洞。或者说,只要将一定质量的物质压缩到它的史瓦西半径以内就能够成为黑洞。

人类文明还达不到收集3.2个太阳质量的能力。实际上整个太阳系的质量只有1.0014个太阳质量,太阳的质量就占了整个太阳系的99.86%。

但史瓦西半径公式提示我们,只要有质量就可以形成黑洞。这样,我们就可以采用其他办法来制造黑洞,例如用粒子对撞机撞出来。

在欧洲的强子对撞机刚投入运行时,就有人担心会撞出一个黑洞来毁灭地球。实际上,虽然大型强子对撞机是目前最强大的对撞机,但它还远远达不到撞出黑洞需要的能量。但相信量子黑洞是人类可以制造出来的。

图:大型强子对撞机

量子黑洞撞出来了会毁灭地球吗?不用担心,因为有霍金辐射存在。霍金预言了黑洞的质量越大,其蒸发速度越慢,越小蒸发速度越快。量子黑洞表面温度会高达几百万到上千万度,几乎在量子黑洞诞生的一瞬间就会被霍金辐射所蒸发。

在日常生活中我们也常用“黑洞”来形容事物的深不见底,那是因为我们对黑洞的认识就是引力无限大的一个神秘天体, 黑洞可以将任何出现在它视界的物质都“吞噬”掉,包括光,正是因为黑洞没有反射光线出来。所以我们也看不到黑洞的真实面目。

在严格意义上,黑洞是一种奇异的天体,我们是无法直接观测到它的存在,所以才被称为“黑洞”。黑洞被称为宇宙中最可怕的天体,可以吞噬任何物质,于是黑洞是目前宇宙学中研究的一个热点。

曾经在20世纪80年代,加拿大哥伦比亚大学的威廉-昂鲁教授首次提出了“人造黑洞”的设想,他认为 声波在流体中的表现和光在黑洞中的极其类似,于是他就想出了如果使流体的速度超过音速,那么就能在流体中建立一个人造黑洞的现象。

事实上我们是完全不用担心人造黑洞不会给地球和人类带来任何威胁, 这是由于人类制造出的微型黑洞可以吸收的物质远远小于其本身所释放的物质,于是人造黑洞会在人类还没反应过来就已经蒸发完了。

退一万步来讲,如果这种微型黑洞不会蒸发,那么让这种黑洞吞噬一个质子也要需要4天的时间,如果吞噬1mg的物质,那恐怕我们人类根本都等不到那天。

而且美国物理学家还出来辟谣说 :人造黑洞可以毁灭地球的理论只会出现在小说和电影里,真正的粒子碰撞所制造出来的人造黑洞是不具有毁灭地球的力量的。

首先我们要了解什么是人造黑洞。

黑洞是根据理论和观察推测的一种密度巨大的天体,通常存在于宇宙各星系中。

20世纪80年代,加拿大的威廉·昂鲁教授提出:如果使流体的速度超过声速,那么就可以在该流体中建立一个人造黑洞。但这种人造黑洞由于缺乏足够的引力,除了声音外,无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”,即只对声现象表现出黑洞的性质。从此“人造黑洞”一次就开始在科学界出现。

后来随着大型强子对撞机的发明,物理学家认为这些加速器很可能产生类似黑洞的高密度物质,“人造黑洞”甚至可能威胁地球安全。

有很多科学家担心这种人造黑洞的技术被恐怖分子利用,成为继原子弹和氢弹之后人类最具有毁灭性的武器。

但是美国加州大学物理学教授史蒂夫·吉汀斯在进行深入研究后得出结论:利用粒子碰撞产生的黑洞是无害的。因为,所有的黑洞都要释放出宇宙射线,小的黑洞所释放的物质要远远多于其吸收的物质,因此,在它们吸收物质之前自己就早已瞬间蒸发了。

事实上整个宇宙原本就是一个类似的粒子对撞机器,具有高能量的宇宙射线和粒子会经常碰撞在地球的大气表层、太阳或者是其它的白矮星和中子星的表面,每时每刻都在发生着这样的粒子碰撞。如果这些粒子碰撞会产生危险的话,天文学家很早就会发现这一现象并对其展开研究。

就像2009年的时候中国南京市东南大学的科学家崔铁军和程强将纳瑞马诺维和基尔迪谢维的理论应用为实践,建造了一个微波频率的“人造黑洞”,每个同轴环是以不同结构的电路板形式形成,同轴环之间彼此相连接,因此其介电常数非常平滑。外部的40个同轴环构成外壳,内部的20个同轴环构成吸收体。当入射的电磁波打击该设备时,电磁波将被诱导进入内部的同轴环,然后被吸收。在同轴环将把吸收的光线转变成为热量。”

实验室里的“人工黑洞”,目的当然不是为了将一个吞噬一切的“恶魔”装进口袋。实际上是一个模拟装置,这种模拟装置可以吸收微波频段的电磁波,在未来,它还可以吸收光。但是除此之外,它并不能吸收任何实质的东西。“它只吸收电磁波,不吸收(实体)物质。”

所以不需要担心人造黑洞会成为人类和地球的终结者。甚至还能对我们的生活产生积极的影响,比如还能在未来用于收集太阳能。

在这方面,“人造黑洞”将比世界上任何一种太阳能电池板都更高效。一些物理爱好者甚至为这种全新的装置设计了一些新功能,比如将它装置在航天器中的太阳帆上,或者用来吸收空气中游散的电磁波——因为手机和无线网络的普及,这种看不见的电磁波据说侵害了我们的 健康 ,成为一种新的污染。

所谓的人类想象出来的黑洞是不存在的

现在的黑洞都是宇宙初始就形成的,人不可能造黑洞。

我可以很明确告诉你就现在来说不可能人造黑洞 未来几百年也不可能

如何利用黑洞作为超强的粒子加速器?

基础物理学的发展离不开深入揭示物质的结构,这就需要通过高能粒子加速器来产生新粒子。可以说,粒子加速器从某种程度上制约着基础物理学的发展,人类需要一个更大的粒子加速器。有物理学家提出设想,利用黑洞作为粒子加速器。

在大型强子对撞机(LHC)于2012年发现粒子物理学中最后一块拼图——希格斯玻色子之后,关于下一步该怎么走的讨论很多。大型强子对撞机是目前世界上最强大的粒子加速器,其对撞粒子的能量约为13万亿电子伏特。

虽然这产生了一些超越标准模型的物理暗示,但它可能无法解决粒子物理学中一些最大的问题,物理学家需要更强大的粒子加速器。对此,有物理学家提议,建造一个能量为大型强子对撞机十倍的环形对撞机。但是建造和运行新粒子加速器的成本将会非常高昂,这让一些物理学家怀疑它的成本是否值得。

然而,如果我们可以使用宇宙中已经存在的粒子加速器,情况就不是这样了。科学家已经知道,黑洞是宇宙中最为强大的“引擎”,它们能产生高能粒子喷射流,这些粒子被加速到接近光速的速度离开黑洞。

不幸的是,黑洞产生的任何奇异高能粒子都会迅速衰变,所以我们无法直接观测到这些可能是标准模型之外的粒子。然而,最近发表在《物理评论D》(Physical Review D)上的一篇文章认为,我们也许能够通过引力波间接地观测到奇异的高能粒子。

在过去的几年里,天文学家观测到了黑洞和中子星合并产生的引力波。我们可以用足够的灵敏度来观测它们,这样我们就可以确定一些东西,比如合并体的初始质量和角动量,以及由此产生的黑洞质量和角动量。但是我们应该能够更敏感地测量合并过程中发生的其他能量波动,这就是这篇新论文的切入点。

旋转的黑洞倾向于通过一种被称为“参考系拖拽”的过程向环绕黑洞周围的物质云提供能量。如果一个黑洞周围的一团弥散物质开始与另一黑洞周围的物质合并,两个黑洞之间的参考系拖拽效应就会把大量的能量转移到物质上。这类似于旅行者1号探测器利用木星的引力弹弓效应加速到太阳系逃逸速度,但黑洞的威力要大得多。

在黑洞周围物质合并过程中,将会产生超辐射,它会制造出一束比我们在地球上所能产生的任何东西都要强大得多的高能粒子流,这可能会产生粒子物理标准模型之外的奇异粒子。虽然我们无法直接观测这些粒子,但是它们的能量会影响黑洞产生的引力波。通过寻找引力波中的波动,反过来我们可以知道奇异粒子的存在,或者至少知道哪些奇异粒子可能不会存在。

虽然黑洞粒子加速器不会像地球上人类建造的粒子加速器那样精确,但也许通过研究引力波,我们可以了解到存在着超越标准模型的粒子,这就使得建造新的粒子加速器是值得的,这样才能更好地知道物理学的发展方向。

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以上资料参考百度百科——加速器

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1、点开加速器然后找到游戏

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发明的超级粒子加速器,是怎样模拟逃离黑洞的?

黑洞,是目前宇宙中,我们所知最强劲的超级引擎!它凭借着其无与伦比的强大引力,几乎能碾压撕裂世间万物。犀利的引力作用下,哪怕是光也无法逃离,所以任何物体一旦靠近事件视界时,等待它们的命运只有一个结局——被吞噬、撕裂化为粒子,然后消失在黑洞深渊中……

但这些年来,一些科学家尝试打破这个铁律,试图从贪婪的黑洞嘴里夺食。他们希望借鉴于粒子加速的原理,在旋转的黑洞能量中,让一些接近光速的等离子体,在对撞的过程中,获得逃离黑洞的机会,并从黑洞强大的引力场中窃取能量!

逃离黑洞,这并非仅属科幻小说里的桥段。在物理学家的眼里,这一个新见解,至少在理论是存在合理的逻辑的,更并非不可现之事!他们认为诀窍在于如何巧妙、仔细地安排好一切,这样粒子就不会永远消失在贪得无厌的黑洞中。

就让我们一起用最通俗的话,来模拟、理解物理科学家们期待的这一过程!

首先,任何一个粒子接近黑洞时,它必然会被加速,就如同雪球从高山上滚落一样。而黑洞的能耐,更远超我们认知的任何一座高山,它强劲的引力,极有可能会让粒子最终以超越光速的状态坠入。

对于这宇宙事件,天文学家给黑洞划定了一个边界——事件视界:任何一个粒子达到光速时,距黑洞中心的这段距离,恰好是光可逃离的阈。这个事件视界,实际就是科学家用以界定黑洞边界的距离。反过来,一旦你陷入这个区域,被锁定于这个事件视界之内,按黑洞的理论来说,等待你的只有唯一的结局——被吞噬然后永远消失。

若是一个孤立的物体或粒子,这个理论是完美而毫无破绽的,可倘若两个或者更多的粒子呢?事情会不会变得更有趣呢?它们一起被加速坠入黑洞的过程中,会不会展露出那个万中无一的瑕疵与漏洞呢?

物理学家们,提出了一个假设:若两个粒子接近视界时,它们的速度就会加快。可若它们碰巧拥有正确的速度和角度方向组合,利用两者对撞弹开的粒子对撞特性,会不会有可能让其中一个垂直坠落,而另一个则绕过弹出事件视界的边缘,然后飞向安全地带呢?

事实上,这样的情形非常罕见,概率也极其低,但也并非完全不可能。因为,基于他们多年对高能粒子的研究,在本身就旋转的黑洞里,在事件视界附近不仅时刻发生着多次低速碰撞,从而产生理想的高能量输出。一旦这些粒子本身就非一般,本身就具有很高的速度,甚至在黑洞这个超级粒子加速器的作用下,实现加速到超过光速的99%,然后在旋转的黑洞发生高能碰撞。或许,它们会拥有逃离黑洞的疯狂能量,从黑洞视界反弹出去,或者沿着黑洞旋转轴向外抛出。

为了证明自己理论的可能性,物理学家在粒子加速环境,比如通过世界上最大的原子加速器、最大型的粒子对撞加速机——一个由超导通道组成的环,周长约27公里,然后给它疯狂加速,最终把重粒子加速到了大约99.7%的光速度!

在这样接近事件视界中,粒子对撞情形的表现,再结合对等重粒子体喷流对撞时的物理机制,所呈现的数据与最新见解。他们用大量数据解释了,如何从黑洞超强引力中窃取能量,并推动它远离黑洞。换句话讲,他们研究了黑洞极端引力下,如何能对粒子提供如此多的能量,使它们向外辐射。

用数学演算的方式,他们在计算机上模拟重现出这样的理论上的一幕。

但这个版本的理论,也有一个很大漏洞:其涉及数学设定的多种复杂性的条件,要想在现实中的黑洞里真实还原这种逃离现象,也只有在极其极端的概率上才能实现,并且很难被天文学家们轻易捕捉这样的情形,换言之,这个依旧是理论上的逃离。要在茫茫宇宙中,无数的黑洞上去观测到这一幕,或许比登天还难。

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