2008年7月，人造黑洞即將誕生？

針對如何聰明快速的減重，曾寫過"如何製造能量的小黑洞"這樣的文章...

鍵盤上敲出"黑洞"的同時，就很想跟大家分享物理之美，既然新增了"物理"分類，就別浪費空間吧！




2008年7月，瑞士日內瓦的"強子對撞器(Large Hadron Collider, LHC)"即將展開第一個實驗！

要在繁體中文的網站找到簡介實在少之又少，更遑論實驗內容的簡述，導致發現一些亂七八糟的資訊

有人說該設備是"時光機的起源"、也有人說該機器會製造出黑洞，並吞噬全宇宙...

這些猜想都有其依據，舉凡實驗動機、實驗原理、...新聞都沒說，只報導意測結果裡，最聳動的部分並加以誇大...

以下先說說初期實驗："是否有五度空間？"




實驗動機：

曾經在這一篇文章裡提到：我們的世界是三維世界(三度空間)加上一維的時間，總共是四維的世界

有沒有第五個維度(五度空間)？許多現象紛紛指出有此可能，於是這成了物理界的流行話題！


先是目前理論出現不完美之處：強力、弱力、重力、電磁力，形式看似相關或相似卻無法說出個"統一理論"

例如說：電力與萬有引力的強弱都是與距離的平方成反比(前者主角是兩個電荷，後者是兩個具有質量的物體)


於是"假設"更高維度的存在：在廣義相對論中，將時間之外的三度空間增加一個維度，電磁學方程式與重力方程式便因此統一了！


再來是"架構"新理論、以數學方程式驗證其合理性，最後就需要真正的實驗來支持！




實驗原理：

根據"能量守衡"：能量不會憑空升成，也不會憑空消失！

例如：身體花費若干能量爬上三公尺高的溜滑梯，此時身體消耗的能量轉變成身處三公尺高的"位能"

當滑下時，剛才的"位能"轉變成下滑的"動能"、以及身體與滑梯接觸時，摩擦產生的熱

在LHC中，我們賦予質子(原子核內帶正電的微小粒子)能量，使其加速到逼近光速

當兩個如此高能粒子互相對撞(我們稱為強子碰撞)時，根據能量守衡(或動量守衡)，我們能計算出粒子碰撞後的反應

也就是這套理論，使得撞球選手能預測球與球碰撞後會如何動作

當然，他們不需要熟析動量守衡！只是一切完全遵照這個原則；就好像你不必懂車子的原理就能開車

當實驗結果不符合能量守衡(有某部分能量憑空消失了)，我們就能知道"第五維度存在"！

再以撞球為例：

球只要不跳起來，都僅在檯面上運動，是二維空間的運動(在球檯互相垂直的兩邊劃刻度，至少要兩組數字才能標定球的位置)

當碰撞發生時，"聲音"傳到我們的耳朵，於是我們說：聲音從"二維世界"溢散到"三維的空間"裡

同樣的，高能粒子碰撞後，經過精密的測量與估算，若有消失的物理量，就是溢散到更高維的世界去了！




可能的結果：

如果我們的世界僅有四個維度，那麼：碰撞後什麼怪事都不會發生！

如果有五個、或甚至更多維度，碰撞就可能出現"人造黑洞"




先來說說黑洞是如何產生的吧！

只要具有質量的物體就能使空間扭曲：

試想空間的一個橫斷面是一張布，布面上放置一顆鋼珠，鋼珠所在的周圍，布面會以鋼珠為中心向下凹，

附近的小東西都會順著這個凹面溜向鋼珠，若附近的東西質量與原鋼珠差不多，看起來就像是"互相吸引"，這就是"萬有引力"了！

即使是光，經過扭曲的空間，行進路線也會跟著扭曲，而我們身處的世界也在相同的的扭曲空間，所以看起來光像是直線前進

這就是"流形(manifold)定理"，數學的"微分幾何"就是在處理這些問題(非微積分哦...)

簡單的來說：取一把直尺比對遠處的山巒，你會發現：山的輪廓是扭曲的！

但若尺的形狀與山的輪廓一模一樣，山的輪廓總是貼著尺的起伏，對這把尺來說：山的輪廓是直的！

愛因斯坦就是熟悉微分幾何才能發表"廣義相對論"

光會扭曲，只要在日全食之際觀察其他恆星就能印證(越說越多了...)




"黑洞"就是在很小的空間裡存在非常大的質量！

太陽不斷產生核融合反應，其反應的熱造成一股巨大的壓力往外衝，往外衝的力量與太陽的引力達到內外平衡

當燃料用盡，不再有往外衝的壓力，因太陽巨大質量而扭曲的空間，就如水裡的漩渦，將所有物質往中心吸引，有如手揑沙球(雪球)般

原本相對鬆散的結構因此越來越緊實、體積也越來越小，最後變成一顆很重的小球(白話)

而太陽如此大的質量仍不足以讓"夠小的空間"裡存在"夠多的質量"，形成黑洞

根據計算，若要產生連光都會被吸進去的黑洞，約需要十個太陽的重量...

(好煩喔...怎麼打不完啦！！)

OK！回到LHC...

不管如何計算，最後的結果告訴我們：強子碰撞並不足以讓"夠小的空間內產生夠多的質量"

就好像兩輛長5公尺、寬2公尺的汽車以高速對撞，原本5公尺的車身都因碰撞潰縮成2.5公尺，而且沒有變寬

假設對撞後不彈開、死黏在一起：2.5公尺+2.5公尺=5公尺，

原本5x2平方公尺的範圍存在一台車的質量，碰撞後，這範圍卻塞了兩台車的質量

而構成黑洞的要件，就好像至少必須在5x2平方公尺的範圍內塞進兩輛砂石車

不管砂石車的引擎有多強大，都不足以讓車子在對撞後，因潰縮而擠進這狹小區域，總是有一部份落在範外

但是咧，如果這範圍內有個小叮噹的四度空間袋，甭說兩輛砂石車、甚至兩輛坦克車都可以塞進來

那麼，這個範圍內就含有足夠的質量造成空間扭曲、有如水中漩渦一般的黑洞

類似這樣的道理，

如果我們的世界僅有四維，那麼碰撞的能量根本不足以把粒子擠進夠小的範圍形成黑洞

如果存在更高維度的空間，那個範圍就比較寬鬆，如此就足以產生黑洞




至於黑洞會成長或是蒸發，就要提到量子理論了

在極微小尺度的世界裡，有個很重要的現象：測不準原理

例如想測得粒子正確的速度，必定測不準其位置；要測得其位置，速度必然不準

就好像拿溫度計量水溫，測得的溫度其實是"水與溫度計達成平衡後的溫度"，不光是水溫本身

也就是說：被測物受到量測工具的影響，產生誤差

而動能與速度有關；位能與始末位置有關，所以測不準原理在能量與時間之間也成立

因此在空無一物的空間裡，有可能出現一瞬間的能量，下一瞬間又消失，而我們所在的尺度根本無法察覺！

從如此微觀世界，我們知道有些粒子正對偶生成(產生一正一負的粒子)、然後對偶消滅(意思就是一正一負互相抵消)

當強子碰撞時，若有更高維度的空間存在，將產生黑洞

而黑洞正好吞噬對偶生成粒子的其中之一，如此具有負能量的粒子將很快中和兩個質子產生的黑洞

所以即使產生黑洞，也會很快就蒸發，這便是根據史蒂芬。霍金博士的量子重力理論所得的結果




以上，強子碰撞是否產生黑洞，還要看高維世界是否存在

而生成的黑洞，是由兩個高能力子產生，雖說質能互換(質量能轉變成能量、能量可以轉換成質量)

質子的質量等於1.6726231×10 ^-27 kg =0.0000000000000000000000000016726231公斤

這樣子的質量即使以光速前進，所帶的能量也不過與一個火車頭的動能差不多

若沒有更高維度的世界便不足以形成黑洞，除非有人硬要拗：一個火車頭的動能等於十個核融合的太陽所產生的能量

若真產生黑洞，兩個粒子所形成的小小黑洞，很快就會因為吸入帶有負能量的對偶粒子之一而被中和

宇宙中的黑洞也會因為相同原因而被中和，但因十個太陽以上的質量，將始中和時間超過宇宙的壽命




OK...利用LHC產生黑洞是"有可能"的，若真產生將很快被中和

以光速前進的物體，本來就會產生"蒲島效應"：

當你以接近光的速飛行，你的時間相會比地面上的人的時間慢上許多，有可能你的手表顯示才旅行兩小時，地面上卻已過了十年，如此你便到了未來

不過，回到過去是不可能的，即使是根據蟲洞(wormhold)理論，也只能從很久的未來穿越到不久的未來

相對於很久的未來，回到不久的未來好像是回到"過去"，但比起"現在"來說，兩者都是"未來"...

這個現象從粒子加速器中，被加速到近光速的粒子，其生命周期變長便足以印證

時間機器，說的不過就是如此現象！

愛因斯坦這種自創理論的科學家真的很厲害，在無法以實驗印證的年代就說出如此大膽的理論！




看看繁體中文的新聞，只說LHC能製造黑洞，而地球、甚至全宇宙將因此被吞噬...

或是LHC是時光機器的...啥米碗糕