科學家:如果有黑洞誰還用粒子對撞機

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,以至於在相當大的範圍內,連宇宙中最快的光都無法逃脫,這個範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。

科學家:如果有黑洞誰還用粒子對撞機

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藉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、中子以至於夸克。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。

科學家:如果有黑洞誰還用粒子對撞機

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裝置,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、我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。

科學家:如果有黑洞誰還用粒子對撞機

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。

如果把黑洞當作一個環形加速器,那麼加速效果遠比人類設計的裝置要好得多。尤其是以極高速度自轉的黑洞,憑藉著強大的引力,可以產生強大的座標系拖曳效應,也就是拖動周圍的時空使其發生扭曲,這就可以讓更多的粒子被拖到黑洞周圍獲得加速,從而飛向遠方。

但是,這個理論中有一個問題,根據複雜的數學計算結果,科學家發現,一個黑洞如果想要透過這樣的方式將粒子加速到接近光速並且射出去,需要滿足非常嚴格的條件。比如,想要滿足自轉速度的要求,黑洞的質量就要非常小。但現實生活中的黑洞質量都遠遠大於這個理論值,甚至有些科學家認為宇宙中就不存在這麼小質量的黑洞。

科學家:如果有黑洞誰還用粒子對撞機

因此,想要讓黑洞充當人類的粒子加速器這種想法,長期以來都只是一個美好的願望,從理論上來看還行不通,或者說理論物理學家們始終不知道宇宙中到底有沒有這樣的黑洞。

不過,10月1日發表在預印本資料庫arXiv上、並且即將在《物理評論D》雜誌上發表的一項新的研究,又給了我們希望。論文中指出,即使是那些大質量的、有自轉並且帶電荷的黑洞,也仍然具備給粒子加速的能力,並且這樣的黑洞在我們的宇宙中要常見得多。

這不是一把普通的粒子加速槍,為了在離開黑洞的時候獲得足夠高的速度,它在靠近黑洞的時候就需要有一個相當高的速度。在事件視界附近,粒子之間可以發生多次低速碰撞,最終讓我們獲得足夠強大的能量輸出。

科學家:如果有黑洞誰還用粒子對撞機

這裡面還有一個問題不得不考慮,那就是雖然被加速的粒子在離開黑洞的時候具有極高的速度,但在這個時候,成也蕭何敗也蕭何,黑洞的強大引力又反過來成為阻礙粒子飛行的原因,會導致粒子減速。因此,如果這樣的話,雖然粒子在離開黑洞的時候可能接近光速,但飛出去一段時間,速度就要大打折扣了。

不過研究人員也指出,這樣的碰撞不一定非要在距離黑洞事件視界非常近的位置上發生。如果是旋轉的黑洞,這個距離可以稍微遠一些。和周圍的光一樣,這裡碰撞的粒子也可以以高速射出,而不必擔心減速的效應。

科學家:如果有黑洞誰還用粒子對撞機

雖然理論上已經成立,但是對於我們來說,距離真正利用黑洞作為粒子加速器還遠遠不現實。我們甚至忍不住思考:當我們的科技強大到能夠利用黑洞作為粒子加速器了,那時候的我們,是否還需要這種裝置呢……