如何製造一個黑洞？

來自專欄 科學新發現

當然不是大黑洞。只是小小的造上一個。它非但不會把我們一口吞沒，甚至還可以成為火箭的發動機。

「真是個餿主意！」你心想。 因為你一定聽過，黑洞的質量無比巨大，即使光也難逃它的引力束縛。一旦我們在實驗室里製造出黑洞，它難道不會將那些賦予它生命的邪惡機器，連同瘋狂的科學家和我們的行星一併吞沒嗎？當然不會。「宇宙吸塵器」這個污名根本就不應該戴在黑洞的頭上，事實上，製造出一兩個黑洞也許很好玩！

理論上，「只需」將任意一團物質——比如一顆彈珠，或者整個月球——壓縮得足夠小，就可以造出一個黑洞。用力用力……哎呀，再加把勁嘛！目標是，使得構成物質的粒子非常貼近，彼此之間非常緊密，如此一來，它們相互施加的引力就會變得非常巨大，只有超越光速 才能擺脫束縛！

這隻有在將最初的那團物質壓到「史瓦西半徑」以內才能辦到， 德國物理理家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）預言了這臨界值。比如彈珠的史瓦西半徑只有光子大小的億萬分之一，而壓縮到史瓦西半徑的月球不過一粒砂子大小。

既然根據愛因斯坦的理論，超越光速是不可能的， 那麼進入史瓦西半徑的粒子就等於被徹底捕獲了：一旦跨過這個門檻，它們只得繼續前進。所以，就算此時你完全收手，按理來說，那團物質還會繼續坍縮，直到凝聚成一個體積為零、密度無窮大的點。你不覺得奇怪嗎？沒錯。事實上，物理學家也不確信這個極端壓縮過程能夠發生。但之後的情形已經不重要，因為縮小到史瓦西半徑後，這團物質就已完全與世隔絕了。

一條單向的界線出現了： 包括光在內的一切物質，只要進入了這條界線，都將無法再回頭。或者說，那個被你壓縮的物質已經被包裹進了一個漆黑的罩子。而在德語中，「漆黑的罩子」就叫做schwarzschild，你說巧不巧！物理學家也將這條界線簡稱為「事件視界」。黑洞就此生成！

在事件視界附近會發生一連串瘋狂的事情。根據愛因斯坦的理論，引力能延緩時間流逝。例如在地球上，你的手錶相對於一塊不受任何引力作用的手錶，每天累計延遲 46微秒。而在事件視界附近，引力如此之大，以至於時間幾乎完全停滯了！當然，在那裡散步，就好像在懸崖邊上捉迷藏一樣危險，只要一步走錯，就會被引力拉成一根細長的麵條，「滋溜」一下，被吸到黑洞裡頭去。

那就與事件視界保持距離好了，那就不會有任何問題。就算月球變成了一個黑洞，我們也完全不用擔心地球會被吸入。月球只是再也看不見了而已。不過它的質量仍在，因月球引力引發的潮汐，連同其他所有現象都將一如往常。

將月球壓縮成一粒砂子，這顯然是一個不可能完成的任務。我們可以更實際一 些，利用激光製造一個屬於我們自己的黑洞。著名的 （還是根據愛因斯坦的理論）告訴我們，質量和能量是等價的。

也就是說，物質無非就是「凝結的」能量，反過來，能量也可以「稱重」。然而，與物質粒子不同的是，純能量粒子，例如光子，能夠多個同時出現在一點上。事實上，光子能夠像鬼魅一樣穿透彼此。正因為如此，當兩束光交錯的時候，我們並不會看到它們像交疊的噴泉一樣，灑得到處都是。

理論上，只要我們將超能激光匯聚在一個點，也就是說，將足夠多的光子擠壓在一個極小的空間里，就可以製造出一個黑洞……好吧，但實際操作起來有一點難度 ：我們需要極其高能的光子，例如核爆炸產生的伽馬射線，然而直到今天為止，還沒有任何人能夠製造出可以激發「這種小怪獸」的激光發射器。但未來或許可以實現！那時，我們就能造出數十萬噸級的黑洞……

造來幹啥？這涉及到一位著名的英國物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）。他認為，黑洞實際上並不是黑的，它們的溫度與質量成反比，也會像「白熾體」一樣發光。不斷釋放能量，它們會變得越來越輕（因為質能轉化），這樣就會越來越熱、越來越亮，直到在最後一道光芒中蒸發殆盡。因此我們也可以把黑洞看作一場極其緩慢的爆炸，在此過程中，黑洞將它的全部質量轉化成了光和熱。只是爆炸所產生的閃光需要很長一段時間才能被觀察到 ：由於萬有引力的作用，黑洞附近的時間延遲效應尤其顯著。而一場緩慢的爆炸，或曰「受控爆炸」，正好就是電廠或發動機運作的基礎！

假設我們製造出一個 50 萬噸的迷你黑洞（其體積不會超過質子的千分之一），那麼它將是一個無比閃耀的藍白色光點，能夠以 300 萬億攝氏度的高溫持續燃燒一年以上。把它放在一面凹面鏡前——就好像汽車前照燈和手電筒一樣，我們就得到了一個光子流發射器，它的反作用力足以推動一艘宇宙飛船！

要知道，當你打開手電筒的時候，你的手臂也的確會承受一個反作用力，但你感覺不到它的存在，因為它真的微不足道。在「大手電筒」的幫助下，黑洞發動機的推力可達 12.25 億牛頓，大約是「阿麗亞娜」火箭的 100 倍。這樣一個黑洞發動機持續工作一年，飛船的速度將會變得非常驚人。再也不用好幾年，只需要幾天，我們就能到達太陽系的任何行星。

只有一個小問題，它剎不了車 ：這台發動機無法關閉！實際上，只有當黑洞完全蒸發後，它才會停下。那時，飛船已經到了太陽系遠郊，比冥王星還遠 4 倍的地方。換句話說，前不著村後不著店，一個無名之地。因此，最後的忠告 ：如果你要製造一台黑洞發動機，那就先想一個能夠讓它停下來的辦法！

撰文 René Cuillierier

編譯 蘇迪