黑洞距離我們(men) 可以有多近？

今年5月，歐洲南方天文台發現了可能是迄今為(wei) 止離我們(men) 最近的黑洞。這個(ge) 黑洞位於(yu) 南天的望遠鏡星座，它和兩(liang) 顆恒星組成了一個(ge) 名為(wei) HR 6819的三體(ti) 係統。

當然，該天體(ti) 是否屬於(yu) 黑洞還存在爭(zheng) 議。如果結論得到證實，黑洞到地球的最短距離將從(cong) 此前的3000光年縮減到1000光年，而且這也是第一個(ge) 肉眼就能看到的黑洞係統。（前提是在南半球進行觀測）

不過，在天文學觀測之外，黑洞可以離我們(men) 再近一點嗎，甚至就出現在地球上？

雖然這聽上去像是奇談怪論，但一些物理學家早在上世紀末就開始考慮，如何在地球上製造出黑洞。而製造黑洞的場所，就是當今最高能的對撞機——大型強子對撞機（LHC）。

聽到這，你是不是在想：如果黑洞真的出現了，會(hui) 把地球上的物質都吸進去，甚至摧毀地球嗎？別急，在恐慌之前，讓我們(men) 首先來思考這個(ge) 問題：到底什麽(me) 才是黑洞？

在我們(men) 的印象中，黑洞都是宇宙中的龐然大物。的確，目前我們(men) 已經發現的黑洞中，即使最小的，質量也有太陽的5倍，它們(men) 的引力強大到可以撕碎恒星，吞噬地球更是不在話下。

但在理論上，根據廣義(yi) 相對論，任何物體(ti) 的引力都會(hui) 使周圍的時空彎曲。當我們(men) 壓縮足夠的倍數，直至時空曲率大到連光線也無法逃出時，這個(ge) 物體(ti) 就變成了一個(ge) 黑洞。

根據計算黑洞大小的史瓦西半徑計算公式（r=2GM/c2），無論是太陽、地球還是肥宅，都可以被壓縮成黑洞：

由此我們(men) 可以看出，質量越輕的物體(ti) ，要形成黑洞，需要壓縮的程度就越高，形成的黑洞密度也越大。

因此理論上來說，最小的黑洞同時也是密度最大的黑洞。物質理論上的最高密度是普朗克密度：5.155×1096 kg/m3，帶進史瓦西半徑計算公式，就可以知道：最小的黑洞質量10-8千克。物理學家希望在對撞機中製造的目標，就是這樣的微型量子黑洞。

2009年，LHC開始工作。在LHC中，壓縮的對象是基本粒子——質子。LHC可以讓質子擁有7萬(wan) 億(yi) 電子伏特的能量，根據質能方程E=mc2，這時質子質量為(wei) 10-23千克。相比於(yu) 質子本身的靜止質量（10-27千克），已經提升了很多。當兩(liang) 個(ge) 這樣的高能質子碰撞，能量就會(hui) 被壓縮到一個(ge) 很小的空間內(nei) 。

但前麵我們(men) 說了，理論上最小的黑洞是10-8千克，對撞機中的質子與(yu) 其相差了15個(ge) 量級。也就是說，對撞機的能量需要增強1015倍，才能讓質子變成黑洞。

在我們(men) 的有生之年，如果大幅度的提升，顯然不切實際。但剛才這一切的前提是，空間如我們(men) 所見，隻有3個(ge) 維度。如果空間還隱藏著更高的維度，情況就不一樣了。而這裏的關(guan) 鍵就是引力。

在三維空間中，引力和距離的平方成反比。為(wei) 了理解這一點，我們(men) 來想象這樣的場景：距離引力源1米時，引力被分散到半徑1米的球麵上；距離減半，引力就被集中到了半徑0.5米的球麵上，每一點的引力是之前的22也就是4倍。

同理，如果是一個(ge) 二維空間，引力就沿著圓周分布，因此與(yu) 距離的一次方成反比。

同理類推，在n維空間中，引力隨距離的(n-1)次方成反比：

隨著額外維度的增加，引力的增長是指數級的。將近20年前，科學家就在理論上證實了，如果空間有7個(ge) 維度，在對撞機裏製造黑洞理論上是可行的。也就是說，如果弦理論或者M理論得到證實，那麽(me) 製造黑洞在理論上具有可行性。而且製造黑洞的速度可能還不慢——一秒一個(ge) 。因此，他們(men) 將對撞機稱作黑洞工廠。

如果對撞機裏真的能撞出黑洞，這些黑洞的最終結局是什麽(me) ？霍金的理論給出了答案。

上世紀70年代，霍金提出著名的霍金輻射：任何黑洞，在吸收物質的同時，也在向外輻射能量，不斷蒸發。而量子黑洞會(hui) 輻射能量很高的粒子，同時質量下降。當它的質量達到普朗克質量，黑洞會(hui) 瞬間湮滅。整個(ge) 過程，隻需要10-26秒。也就是說，遠遠不到一眨眼的功夫，黑洞產(chan) 生，又消失了。

好在，這個(ge) 過程釋放的高能輻射，還可以在對撞機中留下印跡。研究人員可以尋找這些痕跡，來判斷對撞機裏有沒有黑洞出現過。

到現在，“黑洞工廠”已經運行超過10年，但尋找黑洞的進展卻一無所獲。現在，對撞機的能量已經提升至13萬(wan) 億(yi) 電子伏特，但可能來自黑洞的信號沒有出現，這時的引力也沒有表現出高維空間的特征。

這說明什麽(me) ？或許高維空間根本不存在，在地球上製造黑洞隻是妄想；又或者，我們(men) 低估了製造黑洞所需的能量，目前的對撞機還不能達到這樣的能級。

就在近期，歐洲核子研究中心宣布將升級LHC，並建造更高能的未來環形對撞機。到那時，黑洞能夠現身嗎？要等待答案，我們(men) 或許還要等上幾十年。

所以說，物理學家為(wei) 什麽(me) 要嚐試製造黑洞？在對撞機中製造黑洞，其實有著深刻的科學意義(yi) 。

首先，剛才提到的黑洞理論——霍金輻射還沒有得到證實。這是因為(wei) 根據這個(ge) 理論，質量越大的黑洞，釋放輻射的溫度越低。我們(men) 找到的黑洞質量的都太大了，它們(men) 的輻射弱到難以觀測。但如果量子黑洞存在，它們(men) 釋放的高能輻射，就有可能成為(wei) 霍金輻射理論的證據。

量子黑洞還可以幫助我們(men) 尋找高維空間。在我們(men) 的印象中，額外的空間維度，似乎隻是存在於(yu) 科幻中的概念，因為(wei) 即使隱藏著的更高維度存在，三維空間中的我們(men) 也無法直接觸碰。但通過尋找黑洞湮滅的蹤跡，我們(men) 有機會(hui) 證實隱藏的維度，探索高維空間的性質。

最後，量子黑洞意味著人類對於(yu) “小”的探索達到一個(ge) 新的階段。從(cong) 塵埃到原子，從(cong) 質子到誇克，人類一再刷新著對“最小”的定義(yi) 。現在我們(men) 知道，物理學中有意義(yi) 的最短距離是普朗克長度。再短，空間的概念就不存在了。如果我們(men) 能製造出黑洞，它將觸及最“小”的邊界。


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