自從物理學家在大約80年前發明了粒子加速器以來，他們就將其用於各種奇異的任務，例如分裂原子、嬗變元素、產生反物質以及創造以前在自然界中未觀察到的粒子。不過，如果運氣好的話，他們可能很快就會承擔一項挑戰，這將使這些成就顯得幾乎微不足道。加速器可能會產生宇宙中最神秘的物體：黑洞。
當人們想到黑洞時，通常會想到可以吞噬宇宙飛船，甚至吞噬整個恆星的巨大怪物。但是，在最高能量加速器中可能產生的黑洞——最早可能在2007年，位於日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）啟動時——是這種天體巨獸的遠房表親。它們將是微觀的，大小與基本粒子相當。它們不會撕裂恆星，不會統治星系，也不會對我們的星球構成威脅，但在某些方面，它們的特性應該更加引人注目。由於量子效應，它們會在形成後不久蒸發，像聖誕樹一樣點亮粒子探測器。這樣做，它們可以提供關於時空如何編織在一起以及它是否具有看不見的更高維度的線索。
緊密擠壓
在其現代形式中，黑洞的概念源於愛因斯坦的廣義相對論，該理論預測，如果物質被充分壓縮，其引力將變得非常強大，以至於它會從空間中開闢出一個任何東西都無法逃脫的區域。該區域的邊界是黑洞的事件視界：物體可以落入，但沒有任何東西可以出來。在最簡單的情況下，如果空間沒有隱藏的維度，或者這些維度小於黑洞，則其大小與其質量成正比。如果你將太陽壓縮到半徑為三公里，約為其當前大小的四百萬分之一，它將變成一個黑洞。為了讓地球遭遇同樣的命運，你需要將其擠壓到半徑為九毫米，約為其當前大小的十億分之一。
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因此，黑洞越小，建立它所需的壓縮程度就越高。物質必須被擠壓到的密度與質量的平方成反比。對於質量與太陽相當的黑洞，密度約為每立方米1019千克，高於原子核的密度。這種密度大約是通過當前宇宙中的引力坍縮可以產生的最高密度。質量小於太陽的天體可以抵抗坍縮，因為它受到亞原子粒子之間排斥量子力的穩定作用。在觀測上，最輕的黑洞候選者約為太陽質量的六倍。
恆星坍縮並不是黑洞形成的唯一方式。在1970年代初期，劍橋大學的斯蒂芬·W·霍金和我們中的一位（卡爾）研究了在早期宇宙中產生黑洞的機制。這些被稱為“原始”黑洞。隨著空間的膨脹，物質的平均密度降低；因此，過去的密度要高得多，特別是在宇宙大爆炸後的第一個微秒內超過了核水平。已知的物理定律允許物質密度達到所謂的普朗克值，即每立方米1097千克——在這個密度下，引力的強度變得如此之大，以至於量子力學漲落應該會破壞時空結構。這樣的密度足以創造出直徑僅為10¿35米的黑洞（稱為普朗克長度），質量為10¿8千克（普朗克質量）。
根據傳統的引力描述，這是最輕的可能黑洞。它比基本粒子質量大得多，但尺寸小得多。隨著宇宙密度的下降，可能會形成越來越重的原始黑洞。任何輕於1012千克的黑洞仍然比質子小，但超過這個質量，黑洞將與更熟悉的物理物體一樣大。那些在宇宙密度與核密度匹配的時期形成的黑洞將具有與太陽相當的質量，因此將是宏觀的。 [中斷]
早期宇宙的高密度是原始黑洞形成的先決條件，但並不能保證它。為了使一個區域停止膨脹並坍縮成黑洞，它必須比平均密度更高，因此密度漲落也是必要的。天文學家知道這種漲落是存在的，至少在大尺度上是這樣，否則星系和星系團等結構永遠不會合並。為了使原始黑洞形成，這些漲落必須在小尺度上比在大尺度上更強，這雖然可能但並非必然。即使在沒有漲落的情況下，黑洞也可能在各種宇宙學相變中自發形成——例如，當宇宙結束其早期的加速膨脹時期（稱為暴脹）時，或者在核密度時期，當質子等粒子從其組成夸克的湯中凝聚出來時。實際上，宇宙學家可以從沒有太多物質最終進入原始黑洞的事實中對早期宇宙模型施加重要的約束。
消失，消失，消失？
認識到黑洞可能很小促使霍金考慮量子效應可能發揮的作用，並在1974年他得出了著名的結論，即黑洞不僅吞噬粒子，而且還吐出粒子[參見S. W. 霍金的“黑洞的量子力學”；大眾科學，1977年1月]。霍金預測，黑洞會像熱煤一樣熱輻射，溫度與其質量成反比。對於太陽質量的黑洞，溫度約為百萬分之一開爾文，這在今天的宇宙中完全可以忽略不計。但是對於質量為1012千克的黑洞，大約相當於一座山的質量，它的溫度為1012開爾文——足夠熱以發射無質量粒子（如光子）和有質量粒子（如電子和正電子）。
由於發射帶走了能量，黑洞的質量趨於減少。因此，黑洞非常不穩定。隨著它的收縮，它變得越來越熱，發射出能量越來越高的粒子，並且收縮得越來越快。當黑洞縮小到大約106千克的質量時，遊戲就結束了：在一秒鐘內，它會像百萬兆噸級核彈一樣爆炸，釋放出巨大的能量。黑洞蒸發消失的總時間與其初始質量的立方成正比。對於太陽質量的黑洞，壽命是無法觀測到的漫長的1064年。對於1012千克的黑洞，壽命為1010年——大約是宇宙的當前年齡。因此，任何質量為1012千克的原始黑洞現在都將完成其蒸發並爆炸。任何更小的黑洞都將在更早的宇宙學時期蒸發。
霍金的工作是一項巨大的概念進步，因為它將以前物理學的三個不相關的領域聯絡起來：廣義相對論、量子理論和熱力學。這也是朝著完整的量子引力理論邁出的一步。即使原始黑洞從未真正形成，思考它們也帶來了非凡的物理學見解。因此，研究一些即使不存在的事物也可能是有用的。
特別是，這項發現揭示了一個深刻的悖論，該悖論直指為什麼廣義相對論和量子力學如此難以調和的核心。根據相對論，關於落入黑洞的資訊永遠丟失了。然而，如果黑洞蒸發，那麼包含在其中的資訊會發生什麼？霍金認為黑洞會完全蒸發，從而破壞資訊——這與量子力學的原則相矛盾。資訊破壞與能量守恆定律相沖突，使得這種情況難以置信。
另一種選擇是黑洞留下殘餘物，這也同樣令人難以接受。為了使這些殘餘物編碼所有可能進入黑洞的資訊，它們將不得不以無限多種型別出現。物理定律預測，粒子的產生速率與該粒子的型別數量成正比。因此，黑洞殘餘物將以無限的速率產生；即使是開啟微波爐等日常物理過程也會產生它們。自然界將是災難性地不穩定的。第三種可能性是局域性——空間上分離的點上的事件只有在光有時間在它們之間傳播之後才能相互影響的概念——失敗了。這個難題至今仍在挑戰理論家[參見塞思·勞埃德和 Y. 傑克·吳的“黑洞計算機”；大眾科學，2004年11月]。 [中斷]
尋找黑洞
物理學的進步通常需要一些實驗的指導，因此微觀黑洞提出的問題激發了對它們的經驗搜尋。一種可能性是天文學家可能能夠探測到初始質量為1012千克的原始黑洞在當前宇宙中爆炸。這些黑洞的大部分質量將轉化為伽馬射線。1976年，霍金和當時在加州理工學院的唐·佩奇意識到，伽馬射線背景觀測對這種黑洞的數量設定了嚴格的上限。例如，它們不能構成宇宙暗物質的重要組成部分，並且它們的爆炸很少會足夠近以至於可以探測到。然而，在1990年代中期，加州大學洛杉磯分校的大衛·克萊恩和他的同事提出，最短的伽馬射線暴可能是原始黑洞爆炸。雖然較長的爆發被認為與爆炸或合併的恆星有關，但短事件可能有另一種解釋。未來的觀測應該可以解決這個問題，但是天文觀測可以探測黑洞蒸發的最後階段的可能性是誘人的。
粒子加速器產生黑洞是一個更令人興奮的可能性。當談到產生高密度時，沒有裝置能超過LHC和位於芝加哥附近的費米國家加速器實驗室的Tevatron等加速器。這些機器將亞原子粒子（如質子）加速到非常接近光速的速度。然後，這些粒子具有巨大的動能。在LHC中，質子將達到大約七萬億電子伏特（TeV）的能量。根據愛因斯坦著名的關係式 E = mc2，這個能量相當於10¿23千克的質量，或者是質子靜止質量的7,000倍。當兩個這樣的粒子近距離碰撞時，它們的能量會集中到一個很小的空間區域中。因此，人們可能會猜測，有時，碰撞粒子會足夠接近以形成黑洞。
就目前而言，這個論點存在一個問題：10¿23千克的質量遠低於10¿8千克的普朗克值，傳統的引力理論暗示這是最輕的可能黑洞。這個下限來自量子力學的不確定性原理。由於粒子也像波一樣表現，因此它們會分散在一個距離上，該距離隨著能量的增加而減小——在LHC能量下，約為10¿19米。因此，這是粒子能量可以被壓縮到的最小區域。它允許密度為每立方米1034千克，這很高，但不足以建立黑洞。為了使粒子既具有足夠的能量又足夠緊湊以形成黑洞，它必須具有普朗克能量，比LHC的能量高出1015倍。儘管加速器可能會創造出與黑洞在數學上相關的物體（並且根據一些理論家的說法，已經這樣做了），但黑洞本身似乎遙不可及。
觸及其他維度
然而，在過去的十年中，物理學家們意識到，對必要普朗克密度的標準估計可能過高。弦理論是量子引力理論的主要競爭者之一，它預測空間具有超出通常三個維度的維度。與其它力不同，引力應該傳播到這些維度中，因此，在短距離處引力會出乎意料地變得更強。在三個維度中，當您將兩個物體之間的距離減半時，引力會增加四倍。但是在九個維度中，引力將增強256倍。如果額外的空間維度足夠大，這種效應可能非常重要，並且在過去幾年中已經對其進行了廣泛的研究[參見尼瑪·阿卡尼-哈米德、薩瓦斯·迪莫波洛斯和喬治·德瓦利撰寫的“宇宙看不見的維度”；大眾科學，2000年8月]。還有其他額外的維度配置，稱為扭曲緊緻化，它們具有相同的引力放大效應，並且如果弦理論是正確的，則可能更可能發生。 [中斷]
引力強度的這種增強增長意味著，引力和量子力學定律發生衝突的真實能量尺度——以及可以製造黑洞的能量尺度——可能遠低於其傳統值。儘管尚無實驗證據支援這種可能性，但該想法為許多理論難題提供了啟示。如果這是真的，那麼建立黑洞所需的密度可能在LHC的範圍內。
對高能碰撞中黑洞產生的理論研究可以追溯到牛津大學的羅傑·彭羅斯在1970年代中期以及當時都在劍橋的彼得·德伊思和菲利普·諾伯特·佩恩在1990年代初期的工作。大型額外維度的新發現可能性為這些研究注入了新的活力，並促使加州大學聖克魯斯分校和羅格斯大學的湯姆·班克斯以及德克薩斯大學的威利·菲施勒在1999年進行了初步討論。
在2001年的一次研討會上，兩個小組——我們中的一位（吉丁斯）與斯坦福大學的斯科特·托馬斯，以及斯坦福大學的薩瓦斯·迪莫波洛斯與布朗大學的格雷格·蘭茨伯格——獨立地描述了人們在LHC等粒子對撞機上實際會看到什麼。經過一些計算，我們感到震驚。粗略的估計表明，在最樂觀的情況下，對應於普朗克尺度的最低合理值，黑洞的產生率可能為每秒一個。物理學家將以這種速率產生粒子的加速器稱為“工廠”，因此LHC將是一個黑洞工廠。
這些黑洞的蒸發將在探測器上留下非常獨特的印記。典型的碰撞會產生適量的高能粒子，但是衰變的黑洞是不同的。根據霍金的工作，它會向各個方向輻射大量能量非常高的粒子。衰變產物包括自然界中的所有粒子種類。此後，幾個小組對黑洞將在LHC的探測器中產生的非凡特徵進行了越來越詳細的研究。
正在下黑洞雨嗎？
在地球上產生黑洞的前景可能會讓一些人感到愚蠢。我們怎麼知道它們會像霍金預測的那樣安全地衰變，而不是繼續增長，最終吞噬整個地球呢？乍一看，這似乎是一個嚴重的擔憂，特別是考慮到霍金最初論證的一些細節可能不正確——特別是關於資訊在黑洞中被破壞的說法。但是事實證明，一般的量子推理暗示微觀黑洞不可能穩定，因此是安全的。質量能量的集中，例如基本粒子，只有在守恆定律禁止其衰變時才是穩定的；例子包括電荷守恆和重子數守恆（除非它以某種方式被違反，否則可以確保質子的穩定性）。沒有這樣的守恆定律來穩定小黑洞。在量子理論中，任何沒有明確禁止的事物都是強制性的，因此小黑洞將根據熱力學第二定律迅速衰變。
實際上，一個經驗論證證實黑洞工廠不會構成危險。高能碰撞，例如LHC中的碰撞，已經發生——例如，在早期宇宙中，甚至現在，當足夠高能量的宇宙射線撞擊我們的大氣層時。因此，如果LHC能量下的碰撞可以製造黑洞，那麼大自然已經在我們頭上無害地產生它們。吉丁斯和托馬斯早期的估計表明，最高能量的宇宙射線——能量高達109 TeV的質子或更重的原子核——每年可能會在大氣層中產生多達100個黑洞。
此外，他們——以及加州大學聖克魯斯分校的大衛·多爾凡和斯坦福直線加速器中心的湯姆·裡佐，以及加州大學歐文分校的喬納森·L·馮和肯塔基大學的阿爾弗雷德·D·沙佩爾獨立地發現，宇宙中微子的碰撞可能更有效率。如果是這樣，那麼目前正在阿根廷收集資料的新的奧格爾宇宙射線天文臺和猶他州升級後的蠅眼天文臺每年可能會看到幾個以上的黑洞。然而，這些觀測並不能取代加速器實驗的必要性，加速器實驗可以更可靠、數量更多、在更受控制的環境下產生黑洞。 [中斷]
產生黑洞將開啟物理學的一個全新領域。它們的存在本身將證明以前隱藏的空間維度，透過觀察它們的特性，物理學家可能會開始探索這些維度的地理特徵。例如，隨著加速器製造出質量越來越大的黑洞，黑洞將進一步深入到額外的維度中，並且可能變得與其中一個或多個維度的大小相當，從而導致黑洞溫度對質量的依賴性發生明顯的改變。同樣，如果黑洞增長到足以與額外維度中的平行三維宇宙相交，其衰變特性將突然改變。
在加速器中產生黑洞也將代表人類歷史上對更精細尺度上理解物質的探索的終結。在過去的一個世紀中，物理學家已經將微小的邊界推回——從塵埃到原子，再到質子和中子，再到夸克。如果他們能夠創造黑洞，他們將達到普朗克尺度，這被認為是最小的有意義的長度，低於該長度，空間和長度的概念可能不再存在。任何透過進行更高能量的碰撞來研究可能存在的更短距離的嘗試都將不可避免地導致黑洞的產生。更高能量的碰撞，與其說是將物質分裂成更精細的碎片，不如說是簡單地產生更大的黑洞。透過這種方式，黑洞的出現將標誌著科學邊界的終結。然而，取而代之的是一個新的邊界，即探索空間額外維度的地理。