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揭秘迷你黑洞 溫度極高或現身大型強子對撞機(LHC)

引自科學網

Simulated production of a black hole in ATLAS. This track is an example of simulated data modelled for the ATLAS detector on the LHC. These tracks would be produced if a miniature black hole was created in the proton-proton collision. Such a small black hole would decay instantly to various particles via a process known as Hawking radiation.
這張圖片類比的是ATLAS裏產生的黑洞。這個軌跡是模仿大型強子對撞機上的ATLAS探測器得出的類比資料。如果質子-質子撞擊期間產生了微型黑洞，這些軌跡就會形成。這種小型黑洞會通過霍金輻射(Hawking radiation)方式，立刻消失不見。
 
上月末歐洲大型強子對撞機進行了迄今能級最高的對撞實驗，儘管物理學家一再解釋對撞機的對撞實驗足夠安全，但對於其可能產生的迷你黑洞恐怕大眾知之甚少。近日美國物理學家組織網撰文揭秘對撞機對撞實驗可能產生的迷你黑洞。以下為文章全文：
 
在電影和科幻小說中，黑洞可以捕獲粗心大意的飛船和行星，吞噬整個星系，或者為宇宙的其他部分提供入口。在這些描述的啟示下，物理學家們研製出大型強子對撞機(LHC)，終於有了一個強大到可以製造“迷你”黑洞的機器——儘管有些人對此感到恐慌。
 
然而我們真正對黑洞瞭解多少？“迷你”黑洞與潛伏在太空中的大型黑洞有何不同？牛津大學物理系的奇戴姆•艾瑟威爾解釋說：“最簡單的黑洞是中心有奇點，而且被‘黑洞表面(Event Horizon)’環繞的天體。一旦有東西與黑洞之間的距離小於‘黑洞表面’的半徑，它就會被黑洞吸進去，再也無法逃逸出去，即使光也無法逃出黑洞的魔爪，因此美國物理學家約翰•阿奇巴德•惠勒在1967年把這些天體命名為‘黑洞’。”
 
太陽和黑洞
 
產生的黑洞原來是質量(能量)：質量被塞進一個球體，這個球體的半徑與“施瓦氏半徑” (Schwarzschild radius)相等，就形成黑洞。施瓦氏半徑是引力導致一個特定密度的天體自行坍塌的臨界點。奇戴姆告訴我說：“事實上施瓦氏半徑與塞進去的物體的總質量和引力的強度成正比。例如，為了在我們的地球外形成黑洞，你必須把它塞進一個體積大約只有一個彈子(半徑8.9毫米)那麼大的球體裏。相比之下，太陽的施瓦氏半徑大約是3公里。”如果我們用黑洞代替我們的太陽，會出現什麼情況呢？
 
奇戴姆說：“如果我們用相同質量的黑洞取代我們的太陽，我們的太陽系不會有太大改變。地球會繼續保持在現在的軌道裏，因為黑洞產生的引力可能跟太陽產生的引力正好相同。不過整個太陽系會變的比現在暗一些，冷一些。”但是奇戴姆對黑洞的興趣並非只是建立在理論之上，作為粒子物理學家，她將在大型強子對撞機的撞擊過程中，尋找“迷你”黑洞的跡象。
 
瞭解量子引力效應
 
奇戴姆表示：“2003年，作為粒子物理學家的我對黑洞產生興趣，因為更多維的模型預示，高能宇宙射線甚至粒子加速器裏都有可能產生黑洞。如果我們真能生成這種物體，我們將能通過試驗，更好地瞭解量子引力效應。”她希望通過研究黑洞，可以得出一個公式化的量子引力理論：把愛因斯坦的廣義相對論(從宏觀上描述了引力)與量子力學(從微觀角度描述了物理學)嫁接在一起。
 
大型強子對撞機是質子與質子相撞。這些質子由更小的成分構成，即所謂的“部分子”，事實上它們才是大型強子對撞機裏正在相撞的粒子。大型強子對撞機裏的兩個相撞質子(例如誇克和膠子)的施瓦氏半徑，至少比普朗克長度(Planck length)小15個等級。普朗克長度是可以在常規宇宙中獲得的物體的最小間距或大小。
 
奇戴姆評論說：“這意味著在常規物理模型中，兩個質子相撞根本不會產生黑洞。然而有模型稱，在非常小的距離內引力會變得異常大。如果這種猜測屬實，大型強子對撞機裏兩個相撞質子的施瓦氏半徑會變的足夠大，因此兩個質子彼此穿過對方並非沒有可能。如果真是這樣，我們或許可以生成一個微型黑洞。”
 
誰會擔心迷你黑洞
 
這些小型黑洞是什麼樣的？我們應該擔心它們嗎？奇戴姆告訴我說：“據斯蒂芬•霍金說，事實上它們不會那麼黑暗。隨著黑色天體不斷輻射波譜，它們最終會消失。它們的消失速度與黑洞的質量成反比。龐大黑洞的質量非常大，它們的消失速度可以忽略不計。與之相比，迷你黑洞非常熱：熱得令人難以置信。我們太陽的核心大約有1500萬開氏溫標，然而它要想趕上迷你黑洞的溫度，你必須再在這個數字後面添加 42個零。這種令人難以置信的高溫意味著迷你黑洞會很快消失在它們周圍溫度更低的太空裏。它們的潛在壽命大約是一億分之一秒的一千的九次方分之一。因此它們產生後會在刹那間消失不見。”
 
如果它們果真出現了，它們會立刻變成很多小粒子，利用ATLAS探測器可以發現它們。奇戴姆說：“這些粒子將擁有非常驚人的特徵。儲存在探測器裏的總能量大約是幾兆電子伏特，終態粒子的數量會非常大。利用其他新物理學幾乎無法類比黑洞的特徵，如果它們果真產生了，我們就不會錯過它們。

PHYSORG.com原文報導
What are 'mini' black holes?
March 29, 2010 by Pete Wilton