天文太空

黑洞製造機

說不定物理學家就快要可以在實驗室製造黑洞了!

撰文/卡爾(Bernard J. Carr)、吉丁茲(Steven B. Giddings)
翻譯/林世昀

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黑洞製造機

說不定物理學家就快要可以在實驗室製造黑洞了!

撰文/卡爾(Bernard J. Carr)、吉丁茲(Steven B. Giddings)
翻譯/林世昀


-重點提要-


■黑洞並不一定就得是頭巨大、飢餓的怪獸。理論指出,它們可以有各式各樣的尺寸,有些甚至可以比次原子粒子還小。微小的黑洞,應會被量子效應所破壞,而那些最小的黑洞,則幾乎在一誕生之後就會爆炸。

■小型黑洞可能是從大霹靂的早期階段遺留至今,而現今天文學家也許可以偵測到它們的爆炸。

■理論物理學家近來提議,小型黑洞也許可以在現今宇宙、甚 至地球上的粒子碰撞中產生。形成這些小型黑洞所需的能量曾被認為太高,不過假如空間有額外維度,性質又恰好,那麼製造黑洞的能量門檻就會大為降低。果真如此,黑洞就可以由CERN的大強子對撞機(LHC),以及大氣層高空的宇宙射線碰撞而製造出來。物理學家可用這些黑洞來探測空間的額外維度。


自從90年前,物理學家發明了粒子加速器以來,他們便將它運用在諸多千奇百怪的工作上頭,例如分裂原子、改變元素、產生反物質,和創造自然界中前所未見的粒子等。不過,假如他們的運氣 夠好,說不定一個能讓以往所有成就都相形失色的重大挑戰,很快就會展開了——也許,加速器可以製造出宇宙中最為深奧的神秘物體:黑洞。


通常一般人談到黑洞時,腦海中所浮現的,是一頭能夠吞噬太空船、甚至整顆星球的大怪獸。不過那些可望在能量最高的加速器中所產生的黑洞,僅是這類天文巨獸的遠房表親。在鄰近瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織(CERN)裡,大強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)最有可能實現製造黑洞的想法。這些黑洞是微小的,尺寸和基本粒子差不多。它們不會撕裂星球、欺凌 星系,或是對地球造成威脅;在某些方面,它們的性質甚至更富戲劇性。由於量子效應,它們會在形成之後不久就蒸發成一堆光子,如同聖誕樹一般,照亮粒子偵測器。由於這種特質,在關於時空如何編織成一體,以及是否存在著看不見的更高維度等問題,這種黑洞竟也可以給出一些線索。


壓得緊緊的


黑洞概念的現代型式,出現在愛因斯坦的廣義相對論中,這個理論預測,假如將物質做足夠的壓縮,它的重力終會強到能夠把空間中某個區域隔離開來,沒有東西能從這個區域逃走。這個區域的邊界就是黑洞的事件視界:物體掉得進去,卻出不來。考慮最簡單的狀況,其中的空間沒有隱藏的維度,或是隱藏維度比黑洞小,那 麼黑洞的半徑會直接與質量成正比。假如你把太陽壓縮到半徑三公里、大約是它目前尺寸的400萬分之一大小,那太陽就會變成黑洞了。對於地球來說,要遭遇相同的命運,你需要把它擠壓到半徑九公釐以內,也就是目前大小的10億分之一。


因此,如果是想要創造越小的黑洞,所需要的壓縮程度就會越高。物質必須被擠壓達到的密度,和它的質量平方成反比。一個質量和太陽相同的黑洞,密度是每立方公尺1019公斤,比原子核的密度還高。這大概是目前宇宙中經由重力塌縮所可以達到的最高密度。比太陽輕的物體能夠抗拒塌縮,因為它會藉由次原子粒子的量 子斥力而穩定。目前觀測上可能是黑洞的天體,最輕的大約是六個太陽質量那麼重。


然而,星球塌縮並不是形成黑洞唯一可能的方式。在1970年代早期,英國劍橋大學的霍金(Stephen Hawking)和卡爾(本文作者之一),研究了早期宇宙中產生黑洞的一種機制,這些黑洞稱為「太初黑洞」(primordial black hole)。隨著空間膨脹,物質的平均密度會下降;因此,過去的密度要比現在高得多,特別是在大霹靂剛開始的前幾微秒,宇宙的密度甚至超過原子 核。已知的物理定律所允許的物質密度,最高可達每立方公尺1097公斤,即所謂普朗克密度。在此密度下,重力的強度大到其量子漲落會把時空的結構給破壞掉。這樣的密度已足以創造出直徑僅10-35公尺(所謂的普朗克長度)且質量為10-8公斤(普朗克質量)的黑洞。


這是在根據傳統重力理論的描述下,所可能存在最輕的黑洞。它比基本粒子重得多,卻也小得多。隨著宇宙密度下降,可能已有越來越重的太初黑洞形成。任何質量小於1012公斤的黑洞,體積會比質子小;而超過這個質量的黑洞,則會大到更為人所熟悉的一般物體尺度。那些在宇宙密度恰好和核子密度相同的時期所形成的黑洞,擁有相當於太陽的質量,因此是巨觀的黑洞。


早期宇宙的高密度,是形成太初黑洞的先決條件,但卻不保證必然會形成黑洞。對一個即將停止膨脹並且塌縮成黑洞的區域,它的密度必定要比平均值大,因此密度的不均勻也是形成黑洞的必要條件。天文學家知道,這類不均勻至少在大尺度上是存在的,否則,諸如星系和星系團之類的結構就永遠不會誕生。為了形成太初黑洞,這樣的不均勻在小尺度上必須要比大尺度的強,這種狀況雖然不是絕對會有,至少也是可能發生的。而且就算欠缺不均勻性,黑洞還是可能會在宇宙的各種相變中自發形成。例如:當宇宙早期的加速膨脹期間(也就是所謂的暴脹時期)結束時,或是在核子密 度時期中,質子之類的粒子從夸克湯中凝結出來時。的確,宇宙學家能夠由此為早期宇宙的模型訂出重要的限制條件,因為事實上並沒有太多的物質變成太初黑洞。


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