宇宙之谜~黑洞：如果有黑洞可以利用，谁还用人造粒子对撞机
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姿势分子knowledge 文
毫无疑问，黑洞是这个宇宙中最危险的地方，任何靠近它的物质，都没有好下场。
在宇宙中，黑洞的引力是最强的，以至于在相当大的范围内，连宇宙中最快的光都无法逃脱，这个范围就是黑洞的事件视界。对于没有达到光速的物质来说，即使在事件视界之外，都非常有可能不可逆转地坠入黑洞的深渊。
如果有一个微观粒子靠近黑洞的事件视界，那么它就会在黑洞的引力下向黑洞坠落，并且随着距离越来越近，它的速度也越来越快。最终，在到达事件视界后，就再也无法回头，外面的人也再也看不见这个粒子了。
但是，这只是一个孤独的粒子坠入黑洞的案例。如果是两个粒子，那么事情就会变得非常有趣。科学家不仅仅寄希望于看到它们两个共同坠入黑洞的深渊，甚至认为我们未来反而可以借助其中的物理学机制，将黑洞改造成为人类物理学研究的重要工具——粒子加速器，帮助我们进行一些地球上可能无法实现的物理实验。
从19世纪末开始，人类就真正发现了宏观物质下隐藏的微观粒子，并且发现了分子、原子、质子、中子以至于夸克。在发现这些微观粒子的过程中，很多物理学家都采用了一种方法，那就是将微观粒子撞碎，好看看里面到底有什么更小的粒子。
撞碎这些微观粒子不是一件容易的事，我们需要有极高的能量。用脚后跟想也知道，粒子飞得越快，能量也就越高，因此物理学家们一直致力于建造足够强大的设备，能够将微观粒子加速到接近光速，然后互相撞击，从而观测这个过程中的现象和可能出现的粒子等信息。
为此，世界各国的科学家们建造了大量的粒子加速器，最著名的就是欧洲的大型强子对撞机、美国的费米国家加速器实验室、我国的北京正负电子对撞机等等。这些粒子加速器具有极高的能量，可以将重子加速到光速的级别，但也要付出极大的努力。
以大型强子对撞机为例，它能够将粒子加速到光速的99%，但为了实现这一点，它需要给粒子提供一个长达27公里的环形加速通道！同时，为了保证粒子飞行过程中不会遇到空气阻力，这个通道内必须达到高度真空，甚至和太空一样。
（图片说明：大型强子对撞机）
巧了，这不就是黑洞的特点吗？黑洞所具有的能量，没有任何一个人会质疑。而黑洞所在的位置，正是宇宙的太空之中。我们花那么大力气才能创造出来的实验环境，黑洞毫不费力就做得比我们更加完美。
当然，如果还是像刚才说的那样，只有一个粒子在黑洞附近，那么坠入黑洞恐怕是它唯一的命运。但是，如果是两个粒子，情况就不一样了。毋庸置疑，也不是随便两个粒子就能够达到我们的要求，这一切还需要一些精心的设计。
假设有两个微观粒子靠近黑洞的事件视界，那么就像我们正常推测的那样，它们会首先加速向黑洞下落。但是，如果它们有一个非常巧妙的速度和方向组合的话，它们就会发生完美的反弹。反弹的结果是两个粒子命运截然相反，一个坠入黑洞的深渊，另一个巧妙地绕过黑洞的事件视界逃出生天，同时速度已经接近光速。
虽然听起来充满了机缘巧合，但是从理论上来说这一点是行得通的。先前的研究证明，粒子是可以发生这样高能碰撞的，但是这要取决于二者碰撞的一瞬间距离事件视界有多近。
如果把黑洞当作一个环形加速器，那么加速效果远比人类设计的设备要好得多。尤其是以极高速度自转的黑洞，凭借着强大的引力，可以产生强大的坐标系拖曳效应，也就是拖动周围的时空使其发生扭曲，这就可以让更多的粒子被拖到黑洞周围获得加速，从而飞向远方。
但是，这个理论中有一个问题，根据复杂的数学计算结果，科学家发现，一个黑洞如果想要通过这样的方式将粒子加速到接近光速并且射出去，需要满足非常严格的条件。比如，想要满足自转速度的要求，黑洞的质量就要非常小。但现实生活中的黑洞质量都远远大于这个理论值，甚至有些科学家认为宇宙中就不存在这么小质量的黑洞。
因此，想要让黑洞充当人类的粒子加速器这种想法，长期以来都只是一个美好的愿望，从理论上来看还行不通，或者说理论物理学家们始终不知道宇宙中到底有没有这样的黑洞。
不过，10月1日发表在预印本数据库arXiv上、并且即将在《物理评论D》杂志上发表的一项新的研究，又给了我们希望。论文中指出，即使是那些大质量的、有自转并且带电荷的黑洞，也仍然具备给粒子加速的能力，并且这样的黑洞在我们的宇宙中要常见得多。
这不是一把普通的粒子加速枪，为了在离开黑洞的时候获得足够高的速度，它在靠近黑洞的时候就需要有一个相当高的速度。在事件视界附近，粒子之间可以发生多次低速碰撞，最终让我们获得足够强大的能量输出。
这里面还有一个问题不得不考虑，那就是虽然被加速的粒子在离开黑洞的时候具有极高的速度，但在这个时候，成也萧何败也萧何，黑洞的强大引力又反过来成为阻碍粒子飞行的原因，会导致粒子减速。因此，如果这样的话，虽然粒子在离开黑洞的时候可能接近光速，但飞出去一段时间，速度就要大打折扣了。
不过研究人员也指出，这样的碰撞不一定非要在距离黑洞事件视界非常近的位置上发生。如果是旋转的黑洞，这个距离可以稍微远一些。和周围的光一样，这里碰撞的粒子也可以以高速射出，而不必担心减速的效应。
虽然理论上已经成立，但是对于我们来说，距离真正利用黑洞作为粒子加速器还远远不现实。我们甚至忍不住思考：当我们的科技强大到能够利用黑洞作为粒子加速器了，那时候的我们，是否还需要这种设备呢……