【怪罗科普】能否只用光来制造一个黑洞?

怪罗2021-04-03 13:41:22


能用光造一个黑洞吗?这可能听起来是一个非常脑洞的问题,但物理学家表示应该有可能创造一个只有光的黑洞,这被称为“光黑洞”(kugelblitz)。尽管没有人知道如果制造出这样的光黑洞到底会发生什么,但在我们谈到那个之前,让我们先来谈谈更标准的黑洞。


通常,很多的物质被挤压于非常小的空间就形成了黑洞,它的密度非常高。如果物质的密度足够高,其表面的引力变得非常强大,以至于包括光在内的任何物质都无法逃脱它的魔爪。如果把地球转变成黑洞,你需要把这6亿亿亿千克的岩石、水和金属压缩至一个直径仅16毫米的球体。这个密度高的惊人。


爱因斯坦告诉我们E=mc^2(质能方程),换言之,物质蕴含的能量等于其质量乘以光速的平方。这意味着即便是很小的物质也有巨大的能量,如原子——这是核能和核武器背后的基本理念。这也意味着能量有时表现得像物质。光没有质量,但它确实有能量。而由于E=mc^2,引力则就不能区分能量和物质,因此引力都可以吸引它们。



而这引出了一种有趣的可能性,只要把一堆物质挤压到一个地方就能制造出一个黑洞,而引力作用于光就像其作用于物质一样。所以,理论上可以产生一个只有光的黑洞。不过,创造一个只有光的黑洞将需要有惊人数量的光,因为现在我们正反向利用爱因斯坦的这个著名方程。


前面,我们知道一丁点的物质就能产生巨大的能量。那么,如果能量非常大——以光的形式——它就会表现得像微小的物质一样。让我们回到那个拥有地球质量的假想黑洞,如果我们想用光制造一个同样的黑洞,那么需要多少光呢?需要地球上的所有光?还是地球每天甚至每年接收到的所有阳光?还是太阳一整天释放出的所有光?还差得远着!为了制造一个地球质量的光黑洞,需要距地球350光年内的所有恒星在10年间所释放的全部光都被压缩至仅一只蚊子大小的空间。这真的是很多的光!


但如果我们想造一个远小于此的黑洞呢?比如像泰坦尼克号质量的大型游轮——约5000万千克。为了制造一个那么小的光黑洞,需要把地球在一年中接收到的阳光压缩至一个比质子体积小8000倍的空间。很难想象这么多光可以塞进这么小的一个地方,也难以想象在可见的未来会出现哪怕能实现一小部分的技术。



但即使这能实现,还会有另一个问题:制造一个光黑洞意味着需要把如此多的光能挤入到如此之小的空间区域,这将会变得非常热,因为热量就是能量的一种形式。这比宇宙大爆炸之后的一千亿亿亿亿亿分之一秒(即普朗克时间)的温度还要高。在如此极端的温度下,我们所知的物理定律全部失效:空间变成汤状,引力变得无意义,我们不知要如何描述任何东西。因此如果空间变得那么热,引力会失控,从而无法形成黑洞。或者引力会变得超级强大,并形成一个比我们想象中的要少很多能量的黑洞。我们还不得而知,我们可能永远也不会知道。


现在,基于爱因斯坦的结合能量和质量的这个基本方程,似乎光黑洞可能在理论上是可行的。这是个很奇妙的想法:使用大量高度聚集的光来创造一个黑洞,而这种东西连光也无法逃脱。但是我们不清楚我们或者宇宙如何能制造出一个这样的黑洞,也许存在一些未被发现的自然定律禁止了这种黑洞的存在。


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