强子对撞机会产生黑洞吗（大型强子对撞机能制造出毁灭地球的黑洞吗）

每次我们推动知识前沿的发展，都伴随着风险，也伴随着回报的前景。这其中的风险来自很多方面：找不到任何新的东西，实验无法按设计运行，甚至如果出了差错，可能造成破坏和毁灭。但是回报是巨大的，包括新知识的开发，新技术的发展，以及整个人类科学事业的进步。

图源：欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)

欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)就是最能体现这一切的地方之一。在那里，我们已经开始以粒子加速器所能达到的最高能量对撞质子。几年前，我们打破了费米实验室设定的2太电子伏特(太伏特，即10^12电子伏特)的记录，将每个粒子加速到3.5太伏特，并使它们相互碰撞，从而获得7太伏特的总能量。这一发现不仅使我们能够创造出大量难以捉摸的基本粒子(如顶夸克，以及w和z玻色子)，而且使我们能够发现一种全新的基本粒子和标准模型中最后一种未被发现的粒子:希格斯玻色子。

图片来源：费米国家加速器实验室。

现在对大型强子对撞机的升级使我们能够达到总能量的13-14太电子伏特（取决于你问谁）。如果我们足够幸运，这巨大能量下的大量碰撞再加上我们所拥有的高精密探测器，也许能让我们在这个实验室里创造和发现从未见过的粒子。当然，这并没有阻止一些人提出难以置信（而且完全不可信）的指控，例如：

• 大型强子对撞机的科学家们希望在几天内与平行宇宙取得联系，
• 大爆炸理论可能被大型强子对撞机推翻，并且那窥视宇宙的行为最终可能会通过制造一个吞噬我们的黑洞从而毁灭宇宙。

前两个只是糟糕的科学报道，而第三个则是一种常见的恐惧，它一次又一次地抬起它丑陋的头，没有任何现实依据却引发恐慌。

那么，我们怎么知道它是错的呢？让我们找出答案吧。

图片来源：今日费米实验室

有许多理论可以预测额外维度的存在。不仅是我们所知道的存在于四维时空中的三维和一维时间维度，而且至少还有一个额外的空间维度存在于我们的宇宙中。虽然我们不能以我们所探测的能量来获得这些维度，但可以想象，在比我们所探测的更小的尺度上——对应于更高的能量——这些额外的维度是存在的。

如果这些额外的维度存在，一种理论上的可能性是：可能会产生微小的、微型的、微观的黑洞！

图片来源：美国国家宇航局/加州理工学院喷气实验室

如果我们能做到这一点，这将是一项令人难以置信的科技成就，一项将永远改变我们对宇宙认识的惊人证据。当然，无论如何，你一提到“黑洞”，人们马上就会想象出这样一幅灾难性的画面:某样东西吸入了各种各样的物质，逐渐吞噬了构成我们这个世界的质子、中子和电子，最终摧毁了整个世界。

艺术家对超大质量黑洞喷流的想象

事实上，我们知道这是不可能的，其原因有三个，让我们逐一解释。

图片来源:皮埃尔·俄歇天文台

1）如果这些微型黑洞存在的话，地球已经被它们撞击了数十亿年，并且它仍然在这里。

当然，我们以前从未在实验室里制造过这种能量的粒子。但在能量的最高点，能量比我们在大型强子对撞机上创造的能量大一亿倍（100000000），粒子不断地撞击地球：宇宙射线从空间的各个方向轰击我们。

图解 :宇宙射线通量(单位面积粒子数)与能量(以电子伏特计，最高能量相当于1焦耳;或是10^12电子伏特，相当于LHC碰撞产生的能量)。图片来源: 波义耳, P.J. 数学文献库:0810.2967，改编自克罗宁等人。

在我们太阳系以及在太阳的全部历史中，如果这些黑洞存在的话，它们都会轰击地球(和所有的行星)，而且绝对没有证据表明我们太阳系的任何物体曾经变成黑洞或被黑洞吞噬。

但也许，你会持有反对的态度：这些物体移动得太快了，所以它们只是穿过地球，吃的东西太少，不能留在里面，然后穿过星系空间，离太阳远去。好吧，如果这是你的反对意见，也许第二个原因会解决你的问题——为什么这是不可能的。

2）如果你真的创造了一个微型黑洞，它们就会通过霍金辐射在极小的时间尺度上衰变。

如果有额外的维度，可以想象它们可能是一种特定的类型，允许(同样非常罕见，但似乎合理的)微观黑洞的形成。这个黑洞的质量最多等于质子-质子碰撞的能量，或达到13- 14 太伏特。通过E=mc^2，它对应的质量是5×10^(-20)克，很可能更小。

但是，即使你有合适的尺度和类型的额外维度，并且制造了这个黑洞，你仍然有一个问题：它是不稳定的。由于量子力学定律，这个黑洞将通过一个叫做霍金辐射的过程衰变。对于一个质量为5×10^（-20）克的黑洞，三维中的衰变时间大约为10^-83秒，这甚至不足以存在！为了使物理学有意义，我们需要10^-43秒或更长的时间。换算成黑洞质量，我们需要它至少是0.00002克才有可能存在。

从大爆炸开始的宇宙历史

然而，在四维空间中，尤其是当“额外”空间很大时，衰减时间会一直持续到10^-23秒。哦,这真有趣。为了克服这个微型黑洞的预期衰变，我们必须抛弃已知的物理定律。可这些定律是如此的完善可靠，以至于很难想象它们会是错误的——就像明天醒来看到太阳从西边升起一样。

但是，为了方便讨论，我们假设有一些我们还没有想到的新的物理定律可以使这些黑洞稳定。所以我们制造一个黑洞——一个很小的黑洞——相对于地球中心处于静止状态，并且它不会衰变。它能吞噬掉地球吗？如果可以，吞掉地球会有多快呢？这就引出了我们的第三个也是最后一个反对的理由，请记住：为了达到这一点，我们已经两次抛弃掉已知的物理定律了。

图片来源:美国国家宇航局，S. Gezari(约翰霍普金斯大学)，J. Guillochon(加州大学圣克鲁兹分校)。

3）你可以计算出黑洞吞噬物质的速度，它甚至远不及我们星球的寿命那么短

快速旋转的黑洞正在吐出大量的等离子体 图源：universetoday

我们认为黑洞在“吸积”一切物质，但事实是，它们只能通过引力与物质相互作用。在质量约为5×10 ^（-20）克的情况下，它所施加的引力是极其微弱的：它所能做的就是进入地球的中心并再次向外传递，希望在这样做时与一个基本粒子发生碰撞。虽然黑洞的横截面很小，但质子（或中子）的横截面相当大，因此，为了便于论证——我们可以假设——每当黑洞撞击质子或中子时，它都会吸收质子或中子。

图片来源：欧洲核子研究组织/超导环场探测器

假设它将吃掉它接触到的每一个质子、中子或电子——同时考虑到它的重力，看看它会吸引什么——它每秒钟会吃掉大约66,000个质子和中子。当然，66000个质子和中子的质量是很小的:1.1 x 10^-25克。这种增长速度将保持不变，直到黑洞变得相当大;只有在大约10亿吨的时候，黑洞才会开始比这个速度增长得快，因为它的横截面需要那么长的时间才能增加。每秒捕获66000个核子，需要多长时间才能让黑洞达到1千克?三万亿年，比太阳的寿命还长，甚至比宇宙的年龄还长。

图片来源：美国国家宇航局/“威尔金森微波各向异性探测器”科研团队

所以即使你制造了一个黑洞，即使我们知道的物理定律是错误的，而且它永远存在，它仍然是无害的。不管你提出、修改或调整了多少物理定律，地球还是会好起来的。

图片来源：美国宇航局/阿波罗17号

所以振作起来吧!我们都准备好去探索物理学的前沿，去增加我们对宇宙的知识和理解，并以一种完全安全的方式去做。对我们的星球被黑洞吞噬的任何恐惧都是完全不合理的，现在有了关于原因的科学知识，你可以安心了。至少从物理学上来说，世界是安全的。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

FY: 秦正冰

作者: Ethan Siegel

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