人造黑洞 - 概述

“人造黑洞”的設(shè)想最早提出于20世紀(jì)80年代，由加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的威廉·昂魯教授提出，他認(rèn)為聲波在流體中的表現(xiàn)與光在黑洞中的表現(xiàn)非常相似，如果使流體的速度超過聲速，那么就可以在該流體中建立一個(gè)人造黑洞。2009年10月，兩名中國科學(xué)家首次制造出可以吸收周圍光線的人造電磁“黑洞”。這個(gè)黑洞目前在微波頻率下工作，或許不久后它就能夠吸收可見光，一種把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的全新方法可能因此產(chǎn)生。當(dāng)2007年世界最強(qiáng)大的粒子加速器誕生時(shí)，科學(xué)家通常一秒鐘就可以生產(chǎn)出一個(gè)黑洞來，這一潛在的黑洞加工廠一時(shí)引起全球恐慌，媒體紛紛報(bào)道人造黑洞會吞噬地球。致力于保衛(wèi)人類免受人們周圍各種威脅傷害的非贏利性機(jī)構(gòu)——救生艇基金會聲明，人造黑洞會威脅地球上的所有生命，因此，它建設(shè)到處建立自謀生活的群體。美國加州大學(xué)物理學(xué)教授史蒂夫·吉汀斯是這方面的專家，他對人造黑洞進(jìn)行了認(rèn)真分析，他認(rèn)為人造黑洞毀滅地球的理論純粹是小說和電影里的虛構(gòu)，真正的粒子碰撞制造出的人造黑洞不可能吞噬地球。

人造黑洞 - 黑洞工廠

20世紀(jì)60年代單階段的粒子加速器

粒子加速器，也被稱之為大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)。位于法國和瑞士交界處的世界上最大的粒子物理研究中心歐洲核子研究中心(CERN)已經(jīng)開始在一個(gè)將近17英里長的圓形隧道里面建造這個(gè)被人們稱之為世界最大的“黑洞工廠”的裝置。2008年6月，吉汀斯教授在報(bào)告中稱，歐洲的科學(xué)家很快就會利用粒子加速器制造出人造黑洞。

2008年7月，歐洲核子研究中心的蒙加諾教授與吉汀斯教授的科研小組進(jìn)行合作正在建設(shè)建設(shè)世界上最大的粒子加速器(對撞機(jī))，而這個(gè)粒子加速器(大型強(qiáng)子對撞機(jī))是世界上最先進(jìn)的粒子研究工具，項(xiàng)目耗資80億美元，歷時(shí)14年之久，匯集了世界各地最著名的物理學(xué)家。科學(xué)家們將在實(shí)驗(yàn)中撞擊質(zhì)子，模擬宇宙大爆炸后一萬億分之一秒內(nèi)的能量和條件，接著細(xì)致分析撞擊產(chǎn)生的殘骸，用以探求物質(zhì)本質(zhì)的線索和自然中新的力量和平衡。

人造黑洞 - 爭議話題

科學(xué)家表示，假如大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)在生產(chǎn)出了黑洞，那么它就證明了宇宙確實(shí)存在除空間和時(shí)間以外的維度。吉汀斯承認(rèn)，地球的未來以及人類的生命安全和健康都令每位科學(xué)家非常擔(dān)憂。特別是關(guān)于人造黑洞風(fēng)險(xiǎn)的爭論，現(xiàn)在已經(jīng)是一個(gè)非常具有爭議的物理話題。特別是已經(jīng)有科學(xué)家指出，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生黑洞的風(fēng)險(xiǎn)足以吞噬地球，或者將產(chǎn)生一類名為“奇異微子”(Strangelet)的粒子，將地球變成一團(tuán)沉寂、收縮的“奇異物質(zhì)”。

還有很多政治家擔(dān)心這種人造黑洞的技術(shù)被恐怖分子利用，成為繼原子彈和氫彈之后人類最具有毀滅性的武器。但是，吉汀斯肯定的說：現(xiàn)代物理學(xué)無法在地球上制造出具有破壞性的黑洞?！皻W洲建立大型強(qiáng)子對撞機(jī)(簡稱LHC)，是為了揭開宇宙大爆炸之謎，而不是制造黑洞毀滅地球。”

人造黑洞 - 研究結(jié)論

吉汀斯和蒙加諾兩位教授在進(jìn)行深入研究后得出結(jié)論：利用粒子碰撞產(chǎn)生的黑洞是無害的。因?yàn)椋械暮诙炊家尫懦鲇钪嫔渚€，小的黑洞所釋放的物質(zhì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其吸收的物質(zhì)，因此，在它們吸收物質(zhì)之前自己就早已瞬間蒸發(fā)了。事實(shí)上整個(gè)宇宙原本就是一個(gè)類似的粒子對撞機(jī)器，具有高能量的宇宙射線和粒子會經(jīng)常碰撞在地球的大氣表層、太陽或者是其它的白矮星和中子星的表面，每時(shí)每刻都在發(fā)生著這樣的粒子碰撞。如果這些粒子碰撞會產(chǎn)生危險(xiǎn)的話，天文學(xué)家很早就會發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象并對其展開研究。

其實(shí)一直以來地球就沐浴在足夠可以形成黑洞的宇宙射線和粒子對撞之下，但地球一直也都沒有被摧毀。而且，幾乎所有粒子加速器生成的黑洞都必須達(dá)到足夠的速度才能逃脫地球的重力，即使一年生產(chǎn)出1000萬個(gè)黑洞，也大約只能捕捉到其中的10個(gè)，讓它們圍繞加速器中心運(yùn)轉(zhuǎn)。而這些被捕捉到的黑洞又是如此的渺小，假設(shè)讓它穿過一塊相當(dāng)于地球到月球距離厚度的鐵塊，它也不會撞倒任何東西。它們吞噬一個(gè)質(zhì)子也需要大約100小時(shí)的時(shí)間。一個(gè)這樣的黑洞吞噬100個(gè)質(zhì)子大約需要花費(fèi)一年的時(shí)間，因此，要吞噬1毫克地球物質(zhì)就需要花費(fèi)比宇宙年齡還要長的時(shí)間。

人造黑洞 - 轉(zhuǎn)化能源

設(shè)計(jì)方案

中國科學(xué)家建造人工黑洞，可將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能

2009年年初，印度烏爾都大學(xué)的伊維根·納瑞馬諾維和亞歷山大·基爾迪謝維在媒體雜志上發(fā)表一項(xiàng)研究，提出如何建造可以吸收光線的桌面黑洞的理論。這種人造黑洞可模擬宇宙黑洞，其強(qiáng)烈的重力可彎曲周圍的時(shí)空，導(dǎo)致周圍任何物質(zhì)或輻射遵循扭曲的時(shí)空，并螺旋向內(nèi)被吸收。

納瑞馬諾維和基爾迪謝維認(rèn)為，這種人造黑洞可使光線向該設(shè)備中心彎曲吸收。他們設(shè)計(jì)的人造黑洞是由包含著同軸環(huán)殼的中心柱構(gòu)成的圓柱結(jié)構(gòu)。能使光線彎曲向內(nèi)的關(guān)鍵因素在于同軸環(huán)殼的介電常數(shù)，它可以影響電磁波的電成分，增大從外部至內(nèi)部表面的光滑程度，這類似于接近黑洞的時(shí)空的彎曲度。當(dāng)同軸環(huán)殼與中心柱相接觸，同軸環(huán)的介電常數(shù)必須匹配中心柱，因此光線可以被吸收，而不是被反射。

付諸實(shí)踐

2009年10月，中國南京市東南大學(xué)的科學(xué)家崔鐵軍和陳強(qiáng)將納瑞馬諾維和基爾迪謝維的理論應(yīng)用為實(shí)踐，建造了一個(gè)微波頻率的“人造黑洞”。該設(shè)備采用一種“超級材料”構(gòu)造成60個(gè)同軸環(huán)，據(jù)悉，超級材料曾被用于制造隱身斗篷。每個(gè)同軸環(huán)是以不同結(jié)構(gòu)的電路板形式形成，同軸環(huán)之間彼此相連接，因此其介電常數(shù)非常平滑。外部的40個(gè)同軸環(huán)構(gòu)成外殼，內(nèi)部的20個(gè)同軸環(huán)構(gòu)成吸收體。當(dāng)入射的電磁波打擊該設(shè)備時(shí)，電磁波將被誘導(dǎo)進(jìn)入內(nèi)部的同軸環(huán)，然后被吸收。在同軸環(huán)將把吸收的光線轉(zhuǎn)變成為熱量。”

不過目前東南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的“黑洞”，還只是適用于某些微波頻率，比如人們常用的通信頻率， 如GSM、CDMA 和藍(lán)牙等，吸引光波還有待進(jìn)一步研究，因?yàn)楣獠ǖ念l率更短，需要設(shè)計(jì)的“人造黑洞”尺寸也要更小些。

未來應(yīng)用

這個(gè)人造黑洞以相同的方法捕獲光波并不容易，可見光波長比微波輻射的數(shù)量級要小許多。這就要求同軸環(huán)相應(yīng)地需要建造得更小一些。中國科學(xué)家崔鐵軍表示期望這個(gè)光學(xué)黑洞能夠在2009年底被廣泛使用。像這樣的人造黑洞可用于收集太陽能量，尤其是對于太陽反射鏡過于漫射，難以在太陽能電池上聚集的太陽光線。光學(xué)人造黑洞則能夠完全將這些光線吸收，并直接轉(zhuǎn)化吸收在同軸環(huán)上的太陽能電池。如果這種設(shè)備能夠有效地工作，那么以后將不再需要采用拋物線反射鏡收集太陽光線。

人造黑洞 - 德國人造黑洞試驗(yàn)

2010年，德國馬克斯普朗克核物理研究所和赫爾姆霍茨柏林中心的研究人員使用柏林同步加速器(BESSY Ⅱ)在實(shí)驗(yàn)室成功產(chǎn)生了黑洞周邊的等離子體。通過該研究，之前只能在太空由人造衛(wèi)星執(zhí)行的天文物理實(shí)驗(yàn)，也可以在地面進(jìn)行，諸多天文物理學(xué)難題有望得到解決。

黑洞的重力很大，會吸附一切物質(zhì)。進(jìn)入黑洞后，任何東西都不可能從黑洞的邊界之內(nèi)逃逸出來。隨著被吸入的物體的溫度不斷升高，會產(chǎn)生核與電子分離的高溫等離子體。

黑洞吸附物質(zhì)會產(chǎn)生X射線，X射線反過來又會刺激其中的大量化學(xué)元素發(fā)射出具有獨(dú)特線條(顏色)的X射線。分析這些線條可以幫助科學(xué)家了解更多有關(guān)黑洞附近等離子體的密度、速度和組成成分等信息。

在這個(gè)過程中，鐵起了非常關(guān)鍵的作用。盡管鐵在宇宙中的儲量并不如更輕的氫和氦豐富，但是，它能夠更好地吸收和重新發(fā)射出X射線，發(fā)射出的光子因此也比其他更輕的原子發(fā)射出的光子具有更高的能量、更短的波長(使得其具有不同的顏色)。

鐵發(fā)射出的X射線在穿過黑洞周圍的介質(zhì)時(shí)也會被吸收。在這個(gè)所謂的光離化過程中，鐵原子通常會經(jīng)歷幾次電離，其包含的26個(gè)電子中有超過一半會被去除，最終產(chǎn)生帶電離子，帶電離子聚集成為等離子體。而現(xiàn)在，研究人員在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)了這個(gè)過程。

實(shí)驗(yàn)的核心是馬克斯普朗克核物理研究所設(shè)計(jì)的電子束離子阱。在這個(gè)離子阱中，鐵原子經(jīng)由一束強(qiáng)烈的電子束加熱，從而被離子化14次。實(shí)驗(yàn)過程如下：一團(tuán)鐵離子(僅僅幾厘米長并且像頭發(fā)絲一樣薄)在磁場和電場的作用下被懸停在一個(gè)超高真空內(nèi)，同步加速器發(fā)射出的X射線的光子能量被一臺精確性超高的“單色儀”挑選出來，作為一束很薄但卻集中的光束施加到鐵離子上。

實(shí)驗(yàn)室測量到的光譜線與錢德拉X射線天文臺和牛頓X射線多鏡望遠(yuǎn)鏡所觀測的結(jié)果相匹配。也就是說，研究人員在地面實(shí)驗(yàn)室人為制造出了太空中的黑洞等離子體。

這種新奇的方法將帶電離子的離子阱和同步加速器輻射源結(jié)合在一起，讓人們可以更好地了解黑洞周圍的等離子體或者活躍的星系核。研究人員希望，將EBIT分光檢查鏡和更清晰的第三代(2009年開始在德國漢堡運(yùn)行的同步輻射源PETRAⅢ)、第四代(X射線自由電子激光XFEL)X射線源結(jié)合，將能夠給該研究領(lǐng)域帶來更多新鮮活力。