一切都有引力:太陽和地球,還有你、我和每一個分子。更高的質量意味著更強的引力場,但更小的半徑也意味著更強的引力場。因此,如果保持質量不變,並將物體壓縮成越來越小的半徑,那麼引力會變得越來越強。最終,它變得如此強大,以至於連光都無法逃脫。
這時就製造了一個黑洞:當質量被壓縮到稱為史瓦西半徑的半徑內時,就會發生這種情況。每個物體都有一個史瓦西半徑,我們可以根據質量計算出它的大小。對於我們周圍的事物,史瓦西半徑遠小於實際半徑。例如,地球的實際半徑約為6000公里,但史瓦西半徑僅為9毫米左右。人的實際半徑可能大約是一米,但史瓦西半徑大約是10^-24 米,比質子小大約十億倍。一個原子的史瓦西半徑大約是10^-53米,這甚至比被廣泛認為是可能的最小長度——普朗克長度——還要小。
所以我們不能製造一個黑洞的原因是,我們可以處理的東西的史瓦西半徑很小,要充分壓縮物質需要大量的能量。這可以發生在宇宙中,因為如果有大量內部壓力很小的物質,比如生命盡頭的大質量恆星,那麼引力就會壓縮它形成黑洞。但我們不能在地球上做到這一點,這基本上與可控核聚變的問題相同,但是難度增加了好幾個數量級。
等等,愛因斯坦說質量確實是一種能量,能量也可以產生引力場。這是否意味著,如果我們想創造一個黑洞,我們可以將粒子加速到非常高的速度,使它們具有高能量,然後將它們相互撞擊,例如在一個非常大的對撞機內部。確實,我們可以做到這一點。但即使是迄今為止我們建造的最大對撞機,也就是目前歐洲核子研究中心的大型強子對撞機,也遠未達到製造黑洞所需的能量。
在大型強子對撞機中,我們可以使質子達到大約10TeV的能量,這對應於大約10^-50米的史瓦西半徑。但是碰撞後壓縮這種能量的區域可以達到10^-19 米,儘管如此我們離製造黑洞還很遠。那麼為什麼10年前人們如此擔心大型強子對撞機可能會產生黑洞呢?這隻有在引力不像愛因斯坦所說的那樣起作用時才有可能。如果短距離的引力比愛因斯坦的理論預測的要強得多,也就是說存在蜷縮的微小維度,那麼製造黑洞就會變得容易得多。
到目前為止,我們不可能製造黑洞。但是如果我們建造一個更大的對撞機呢?以目前的技術,它的直徑必須與銀河系一樣大,這不太可能會發生。那麼我們還能嘗試做些什麼?我們可以嘗試將大量激光聚焦在一個點上。如果我們使用目前世界上最強大的激光器並將它們聚焦在大約1納米寬的區域上,我們需要許多這樣的激光器,嚴格來說這並不是不可能,但它不會很快發生。
雖然我們現在確實不能製造黑洞,但我們可以假設我們行,那麼我們能用它做什麼?黑洞以吸東西著稱,但如果它們很小,效果就恰恰相反。它們會把東西扔掉,那東西就是霍金輻射。斯蒂芬·霍金在1970年代初期發現,所有黑洞都因量子效應而發射輻射,因此它們會失去質量並蒸發。黑洞越小,溫度越高,蒸發得越快。一個質量約為100千克的黑洞會在不到一納秒的時間內完全蒸發。
現在,“蒸發”聽起來很天真,可能會讓你想到一個水變成了水蒸氣。但對於黑洞來說,它遠非如此平靜。如果黑洞的溫度很高,則輻射由所有基本粒子、光子、電子、夸克等組成。這真的很危險,一個小黑洞會非常迅速地將能量轉化為許多這樣的粒子。這意味著這樣一個小黑洞基本上是黑色的炸彈。所以它可能不會把城市吞掉,而是把它炸得四分五裂。
雖然我們不能製造真實的黑洞,但我們確實可以製造模擬黑洞,在我們前面的文章中也介紹過。模擬黑洞和真實黑洞在數學上是非常相似的,通過對它的研究,我們可以瞭解到黑洞的許多性質。