Energie, die benötigt wird, um ein Schwarzes Loch zu erschaffen, vs. Energie, die benötigt wird, um den Large Hadron Collider zu betreiben?

Ihre Frage berührt einige Punkte.

Erstens, ja, er war leichtsinnig, aber das Risiko war super gering. Der einfachste Weg, dies zu erklären, ist, dass im CERN nichts passiert, was nicht jeden Tag im ganzen Universum und in der oberen Atmosphäre der Erde oder auf der Oberfläche aller Monde, Planeten und Sterne passiert. Zum Beispiel war das Oh My God-Partikel mit mehreren Millionen mal der Energie der Partikelkollisionen im Inneren des CERN unterwegs. Bei diesen Geschwindigkeiten fügt das weitere Beschleunigen des Teilchens nicht viel Geschwindigkeit hinzu, was sie im Grunde tun, ist, dem Teilchen Energie oder Masse hinzuzufügen und seine Geschwindigkeit nur leicht zu erhöhen, wenn sich seine Geschwindigkeit allmählich der Lichtgeschwindigkeit nähert.

Was CERN nützlich macht, ist nicht, dass die Hochgeschwindigkeitskollisionen nirgendwo anders passieren (sie passieren ständig im ganzen Universum). Was es nützlich macht, ist die millionenschwere Ausrüstung, die diese Kollisionen heranzoomt und mit den besten Kameras der Welt aufzeichnet, was passiert. Wir können nicht vorhersagen, wann und wo ein sich sehr schnell bewegendes kosmisches Teilchen die Erde treffen wird, aber sie wissen, wann und wo die CERN-Teilchen kollidieren werden, weil das an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit geschehen soll.

Wenn also diese Art von Kollisionen die ganze Zeit passieren und noch nie ein Planet oder Stern beobachtet wurde, der von einem durch Teilchenkollision erzeugten Schwarzen Loch gefressen wurde, dann sind solche Ereignisse zumindest extrem selten.

Hinzu kommt, dass die Hawking-Strahlung vorschreibt, dass so kleine schwarze Löcher verdampfen sollten, bevor sie etwas essen können. Wenn Brian Cox also über diese Frage lacht, hat er guten Grund zum Lachen, denn es war nie ein echtes Risiko und es ist eher eine Scherzfrage als ein echtes Risiko.

Nun, wenn Sie "Druck" sagen, um schwarze Löcher zu erzeugen. Der Druck in einem Schwarzen Loch, oder, sollte ich sagen, der Druck in einem Neutronenstern, der kurz davor steht, sich in ein Schwarzes Loch zu verwandeln, oder der Druck in einem kollabierenden Kern eines sehr großen Sterns, der kurz davor steht, ein Schwarzes Loch zu erschaffen – diese Drücke sind wahnsinnig hoch , aber wenn wir diesen Druck auf der Erde wiederherstellen könnten (Wir können nicht), aber wenn wir könnten, würde es nicht ausreichen, um ein Schwarzes Loch zu machen. Druck allein reicht nicht aus, man braucht Masse (zumindest etwa 3 Sonnenmassen), um in eine bestimmte Größe zu passen, und je weniger Masse man hat, desto größer ist die erforderliche Dichte (und größerer Druck), um die erforderliche Masse zu erreichen Schwarzchild-Radiusverhältnis. Der erforderliche Druck innerhalb des sich bildenden Schwarzen Lochs nimmt tatsächlich ab, wenn die Masse des Schwarzen Lochs zunimmt. (basierend auf einfachen Druckgleichungen und Schwarzchild-Radien). Gleichdruck in einem Labor auf der Erde würde es nicht schaffen.

Was schwarze Löcher theoretisch möglich macht, ist die geringe Quantengröße und die Möglichkeit zusätzlicher Dimensionen und Quantenregeln, die nur für die sehr kleinen gelten, also sind es ganz andere Umstände.

Kollisionen im CERN werden in Elektronenvolt gemessen. Es wurde die Theorie aufgestellt, dass sich Mikro-Schwarze Löcher bei der Energie der CERN-Kollisionen bilden könnten , wenn es zusätzliche Dimensionen auf der Quantenebene gäbe (dies würde bedeuten, dass sich Schwarze Löcher dieses Typs ständig in der oberen Erdatmosphäre bilden, was bedeutet, dass sie es sind nicht gefährlich).

Aber bisher kein Glück. Es wurden keine Mikro-Schwarzen Löcher beobachtet. Sie sollten sich sehr schnell auflösen, aber ihre Zerfallsströme sollten erkennbar sein, damit sie bemerkt werden, aber bisher wurden keine entdeckt, und als Ergebnis gibt es keine Hinweise auf zusätzliche Dimensionen. Das bedeutet nicht, dass sie nicht vorhanden sind und dass keine Mikro-Schwarzen Löcher erzeugt werden können, aber bisher gibt es keine Beweise dafür, dass sie bis zu etwa 13 Billionen Elektronenvolt, dem aktuellen Höhepunkt der CERN-Kollision, erzeugt wurden Energie. Siehe hier

Hoffe das macht Sinn. Korrekturen erwünscht.

Nach unserem derzeitigen Verständnis gibt es keine untere Grenze für die Energie, die benötigt wird, um ein Schwarzes Loch zu erzeugen. Jedes Objekt, egal wie klein, könnte bei ausreichender Kompression theoretisch ein Schwarzes Loch bilden. Machen Sie es klein genug, und es würde überhaupt nicht viel Energie erfordern.

Aber hier ist das Hauptproblem. Schwarze Löcher haben diese sogenannte Hawking-Strahlung: Sie verlieren ständig Energie (und damit Masse) durch Strahlung, und je kleiner die BH ist, desto schneller verliert sie Energie. Superwinzige BHs verschwinden im Grunde in dem Moment, in dem sie erstellt werden, so schnell geht der Prozess.

Damit ein BH eine Bedrohung darstellt, müsste es groß genug sein, um lange genug stabil zu sein, um tatsächlich damit zu beginnen, umgebende Materie zu fressen, um den Verlust durch Strahlung auszugleichen. Ich glaube, Berechnungen haben gezeigt, dass der BH dann so massiv wie ein großer Berg sein müsste. Das ist eine Menge Energie. Der LHC ist bei weitem nicht auf diesem Niveau.

Obwohl es nicht empfohlen wird, decken Ihre Kommentare genug Boden ab, dass ich sie hier ansprechen werde, anstatt eine lange Antwort zu geben. Wenn meine Antwort unbefriedigend ist, möchten Sie vielleicht eine neue Frage erstellen und die Einzelheiten klären.

Ein Stern, der 3- oder 5-mal so groß ist wie unsere Sonne, wird allmählich seinen Wasserstoff verbrennen und zusammenbrechen, um ein schwarzes Loch zu bilden, das groß genug ist, um die Erde zu verschlingen

Sterne funktionieren nicht so. Während der letzten Stadien (Roter Riese, Heliumblitz usw.) verlieren Sterne einen erheblichen Prozentsatz ihrer Materie an den Weltraum. Es wird erwartet, dass unsere Sonne etwa die Hälfte ihrer Masse verliert, wenn sie ein Weißer Zwerg wird. größere Sterne verlieren einen noch höheren Prozentsatz, sodass Sie einen viel massereicheren Stern benötigen, um am Ende ein Schwarzes Loch zu bekommen. Ungefähr 8 Sonnenmassen , um einen Neutronenstern zu enden, und ungefähr 25 Sonnenmassen (gleicher Link) für ein Schwarzes Loch, obwohl ein Neutronenstern auch auf diese Weise Masse ansammeln und zu einem Schwarzen Loch werden kann, wenn er sich in einem binären System befindet.

Mir ist klar, dass Sie nicht genau danach gefragt haben, aber eines der Probleme bei der Komprimierung in dieser Größenordnung besteht darin, dass Sie fragen müssen, was Sie komprimieren. Das Komprimieren spaltbarer Materialien kann zu explosiven Ereignissen führen , die der Komprimierung widerstehen würden.

Wenn Sie Eisen verwenden, das bei sehr fester Verdichtung keine neue Energie erzeugt, haben Sie ein relativ einfaches Masse-zu-Größe-Problem, bei dem Sie den Druck abschätzen können. 3 Sonnenmassen Eisen sollten ausreichen, um durch seine eigene Masse und Schwerkraft ein Schwarzes Loch zu bilden. Es könnte sogar etwas weniger sein, da es nie beobachtet wurde und mit der Rotationsgeschwindigkeit und der Temperatur etwas variieren würde. Aber 3,0 Sonnenmassen sind nah genug .

Die Schwerkraft, die benötigt wird, um den Stern zu einer Singularität zu zerquetschen, ist$10^x$Joule

Dies ist nicht einfach, da es mit der Anfangsmasse variieren würde, die Sie in ein Schwarzes Loch zwingen wollten, und die Mathematik wird sehr komplex, da sie Gleichungen umfasst, die auf dem Pauli-Ausschlussprinzip und dem Neutronenentartungsdruck basieren.

Aber im Allgemeinen wird bei genügend Masse keine Kraft benötigt, da die Schwerkraft die ganze Arbeit selbst erledigt. Bei 3 Sonnenmassen Eisen gibt es keinen Energieaufwand. Es gibt eine riesige (enorme) Gravitationskraft, aber keine Energie.

Mit weniger Masse nimmt die Kraft zu, weil ein kleinerer Schwarzschild-Radius eine noch engere Annäherung der Neutronen und Quarks erfordert, und die Energie einer solchen Kompression ist enorm und schwer zu berechnen.

Glücklicherweise gibt es eine Möglichkeit zu schummeln und eine sehr vereinfachte Antwort zu erhalten. Der entartete Druck, der verhindert, dass der Neutronenstern zu einem Schwarzen Loch wird, steht im Gleichgewicht mit der Gravitationsbindungsenergie, und die Gravitationsbindungsenergie kann unter der Annahme einer gleichmäßigen Dichte geschätzt werden.

( Quelle ).

Nehmen wir also ein Millionstel Gramm Zeug, etwas Schweres, wie ein Stück Eisenstaub, um jegliche Spaltenergie zu vermeiden, die der Bildung von Schwarzen Löchern entgegenwirken würde, und verwenden Sie unseren praktischen Hawking-Strahlungsrechner .

Ein Schwarzes Loch von einem Millionstel Gramm hätte einen Radius von ca$1.5 \times 10^{-36}$Meter (Rechner oben), also die Gravitationsbindungsenergie, die ungefähr dem Neutronentartungsdruck am Schwarzschildradius entspricht:

oder 26,7 Millionen Milliarden Joule, zusammengepfercht in einem Raum kleiner als ein Atom, nur um ein Schwarzes Loch von 1 Millionstel Gramm zu erzeugen, das im Bruchteil einer Sekunde verdampfen sollte. Nun, es gibt wahrscheinlich tausend Gründe, warum meine Schätzung falsch ist, aber es ist ein Baseballstadion (ein sehr großes Baseballstadion in Texas-Größe), aber immer noch im Baseballstadion.

Ihre Schätzung für CERN ist, dass es 800 Millionen Watt verbraucht. Denken Sie jetzt daran, dass CERN Protonenstrahlen beschleunigt, Tausende, wenn nicht Millionen, und bei der derzeitigen Spitzenenergie trägt jedes einzelne Proton maximal etwa 13 Billionen Elektronenvolt, und es gibt ungefähr$6.24 \times 10^{18}$Elektronenvolt in einem Joule, also hat jede einzelne CERN-Kollision, Proton auf Proton, etwa 1/48.000 Joule bei maximaler Leistung.

Nun, selbst mit meiner texanischen Schätzung ist 1/48.000 eine viel kleinere Zahl als 26,7 Millionen Milliarden. Wenn die Zahlen so weit weg sind, deckt "Blödsinn" es irgendwie ab.

Und ein Millionstel Gramm Schwarzes Loch würde sowieso verdampfen. Es wäre viel kleiner als ein Atom und würde es schwer haben, viel von irgendetwas zu absorbieren. Ganz zu schweigen davon, dass die Entstehung eines solchen Objekts wahrscheinlich eine Anfangsgeschwindigkeit haben würde, die weit über der Fluchtgeschwindigkeit liegt, und es würde einfach von der Erde wegfliegen (oder direkt durch sie hindurch und weg – wie ein schweres Neutrino).

Es gibt keine Schätzung, die ein gefährliches Szenario mit 1/48.000 Joule pro Kollisionsenergie des CERN erzeugt, und für eine einzelne Kollision ist das enorm, aber es ist bei weitem nicht gefährlich, es sei denn, Sie machen den Fehler, im Strahl zu stehen (das ist jemandem einmal passiert). , Aber ich schweife ab). Er lebte nebenbei.

CERN kann nicht annähernd alle 800 Megawatt Energie in die Beschleunigung eines Protons stecken. Wenn sie könnten, würden wir vielleicht einige sehr interessante Dinge entdecken, aber sie können nicht einmal annähernd kommen. All diese Energie treibt die Magnete und das Vakuum an und hält alles kühl, aber die individuelle Protonenenergie ist ein winziger Bruchteil davon.

Also, abhängig von der Größe des Schwarzen Lochs, das Sie erschaffen möchten, müsste CERN, oh, vielleicht eine Milliarde Milliarden Milliarden mal stärker sein als es derzeit ist, und trotzdem würde das geschaffene Schwarze Loch wahrscheinlich verdampfen, bevor es etwas frisst, oder, wenn Hawking-Strahlung falsch ist und nicht verdunstet, würde sie höchstwahrscheinlich harmlos durch die Erde fliegen, oder meistens harmlos, da sie Schaden anrichten könnte, wenn sie durch eine Person flog.

Um ein Schwarzes Loch mit ausreichend niedriger Temperatur zu erzeugen, um tatsächlich stabil zu sein (und theoretisch die Erde zu fressen), bräuchte man nach dem Strahlungsrechner von Hawking Millionen Tonnen. Und klar, wir befinden uns tief im Unmöglichen, wenn Sie glauben, dass CERN Millionen Tonnen Eisen zu einem Körnchen von der Größe eines Atoms zerkleinern kann. Die Größenordnungen der Unwahrscheinlichkeit sind höher, als ich berechnen kann.

Nun zur Kehrseite dieser Frage und warum angenommen wurde, dass CERN in der Lage sein könnte, ein Schwarzes Loch zu erschaffen (bisher haben sie es nicht getan), weil Quantenschwarze Löcher (theoretisch) über sehr kurze Entfernungen anderen Regeln gehorchen. Sie würden nicht lange halten und sie wären nicht gefährlich. Wenn Quantenschwarze Löcher im CERN erzeugt werden können, dann werden sie ständig durch kosmische Strahlung auf der Oberfläche des Mondes in der oberen Atmosphäre der Erde erzeugt. CERN tut nichts, was nicht ständig in der oberen Atmosphäre passiert.

Aber um ein Materieteilchen wie ein Sandkorn tatsächlich in ein Schwarzes Loch zu verwandeln, wäre die Energie, die benötigt wird, milliardenfach höher als die, zu der CERN in der Lage ist. Ich kann Ihnen keine genaue Antwort geben, weil ich keine Ausbildung in Quantenberechnungen habe, und ich bin mir nicht sicher, ob das jemand kann, oder wenn er es kann, wird es sehr kompliziert.

Meiner Meinung nach deckt "Blödsinn" es ab. Aber er hätte sagen können: "Ja, das könnte passieren, wenn das CERN eine Milliarde Milliarden Milliarden Milliarden mal stärker wäre.

Es gibt viel einfachere Möglichkeiten, jeden auf der Erde zu töten, als ein Schwarzes Loch zu erschaffen, das die Erde frisst. Tatsächlich könnte dies der schwierigste Weg sein, jeden zu töten, der jemals erdacht wurde.

Ich hoffe, Sie haben nichts gegen meine Erzählung, aber ich denke, der Ansatz der Gravitationsbindungsenergie ist kein schlechter Weg, um Ihre spezifischen Fragen zur erforderlichen Energie zu beantworten.