自從物理學家大約80年前發明了粒子加速器以來，他們一直用它們來進行諸如分裂原子、嬗變元素、產生反物質和創造自然界中以前未觀察到的粒子等奇異任務。不過，如果幸運的話，他們可能很快就會開始一項挑戰，這將使這些成就看起來幾乎微不足道。加速器可能會產生宇宙中最深不可測的物體：黑洞。
當人們想到黑洞時，通常會想象到可以吞噬宇宙飛船甚至整個恆星的巨大怪物。但是，可能在最高能量加速器中產生的黑洞——最早可能在2008年中期，當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）開始以全部設計能量執行時——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，統治星系，也不會對我們的星球構成威脅，但在某些方面，它們的性質應該更加引人注目。由於量子效應，它們會在形成後不久蒸發，使粒子探測器像聖誕樹一樣閃閃發光。透過這樣做，它們可以提供有關時空如何編織在一起以及它是否具有看不見的高維度的線索。
一個緊密的擠壓
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在現代形式中，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，其引力將變得如此強大，以至於它會雕刻出一個任何東西都無法逃脫的空間區域。該區域的邊界是黑洞的事件視界：物體可以落入，但任何物體都無法出來。在最簡單的情況下，如果空間沒有隱藏維度，或者這些維度小於黑洞，則其大小與質量成正比。如果將太陽壓縮到三公里的半徑，大約是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，您需要將其擠壓到九毫米的半徑，大約是其當前大小的十億分之一。
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。這樣的密度大約是當前宇宙中透過引力坍縮所能產生的最高密度。比太陽輕的物體會抵抗坍縮，因為它會被亞原子粒子之間的排斥量子力穩定下來。在觀測上，最輕的黑洞候選者約為六個太陽質量。
然而，恆星坍縮並不是黑洞可能形成的唯一方式。在 1970 年代初期，劍橋大學的斯蒂芬·霍金和我們中的一位（卡爾）研究了一種在早期宇宙中產生黑洞的機制。這些被稱為原始黑洞。隨著宇宙膨脹，物質的平均密度降低；因此，過去的密度要高得多，尤其是在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高達所謂的普朗克值 1097 千克/立方米——在該密度下，引力強度變得如此強大，以至於量子力學波動會破壞時空結構。這樣的密度足以創造一個僅 1035 米寬（稱為普朗克長度的維度）且質量為 108 千克（普朗克質量）的黑洞。
根據對引力的傳統描述，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。任何小於 1012 千克的黑洞仍然比質子小，但超過此質量後，這些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代形成的黑洞，其質量將與太陽相當，因此將是宏觀的。
早期宇宙的高密度是形成原始黑洞的先決條件，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，因此密度波動也是必要的。天文學家知道，至少在大型尺度上存在這種波動，否則星系和星系團等結構永遠不會合並。為了形成原始黑洞，這些波動在較小尺度上必須比在較大尺度上更強，這是可能的，但不是必然的。即使在沒有波動的情況下，黑洞也可能在各種宇宙學相變中自發形成——例如，當宇宙結束其早期加速膨脹時期（稱為暴脹）時，或在核密度時期，當質子等粒子從其組成夸克的湯中凝聚出來時。事實上，宇宙學家可以根據沒有太多物質最終變成原始黑洞的事實，對早期宇宙模型施加重要的約束。
去，去，消失了？
意識到黑洞可能很小促使霍金考慮可能會發生哪些量子效應，並且在 1974 年他得出了著名的結論，即黑洞不僅吞噬粒子，還將其吐出。霍金預測，黑洞會像熱煤一樣以熱力方式輻射，溫度與其質量成反比。對於太陽質量的黑洞，溫度約為開爾文的百萬分之一，這在當今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（大約是山脈的質量），它是 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，因此黑洞的質量趨於減小。因此，黑洞非常不穩定。隨著它收縮，它會變得越來越熱，發射出越來越高能的粒子，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，它會以一百萬兆噸核彈的能量爆炸。黑洞蒸發掉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 1064 年。對於 1012 千克的黑洞，它是 1010 年——大約是宇宙的當前年齡。因此，任何這種質量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早期的宇宙時期蒸發掉。
霍金的工作是一項巨大的概念性進步，因為它將三個先前不同的物理領域聯絡起來：廣義相對論、量子理論和熱力學。這也是朝著完整的引力量子理論邁出的一步。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見解。因此，即使某些東西不存在，研究它也可能是有用的。
特別是，這項發現開啟了一個深刻的悖論，該悖論旨在說明為什麼廣義相對論和量子力學如此難以調和。根據相對論，有關落入黑洞的資訊將永遠丟失。但是，如果黑洞蒸發了，那麼其中包含的資訊會發生什麼？霍金認為，黑洞會完全蒸發，破壞資訊並違反量子力學的基本原則。但是，這種資訊的破壞也與能量守恆定律相沖突，使這種可能性難以置信。
另一種選擇是，蒸發的黑洞會留下殘骸，這同樣令人難以接受。為了使這些殘骸編碼所有可能進入黑洞的資訊，它們必須具有無限多種型別。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，黑洞殘骸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。自然界將發生災難性的不穩定。第三種（也是最有可能的）可能性是資訊透過區域性性（即空間上分離的點上的事件只有在光在它們之間傳播後才能相互影響的概念）的崩潰而逃脫——這比普通的量子非區域性性更深刻。這個難題至今仍在挑戰著理論家。
尋找黑洞
物理學的進步通常需要實驗的指導，因此微觀黑洞提出的問題激發了對它們的實證搜尋。一種可能性是，天文學家或許能夠探測到質量為 1012 千克的原始黑洞在當前宇宙中爆炸。這些黑洞大約十分之一的質量將轉化為伽馬射線。1976 年，當時在加州理工學院的霍金和唐·佩奇意識到，伽馬射線背景觀測對這種黑洞的數量施加了嚴格的上限。例如，它們不能構成宇宙暗物質的很大一部分，並且它們的爆炸很少會近到可以被探測到。然而，在 1990 年代中期，加州大學洛杉磯分校的戴維·克萊恩和他的同事們認為，最短的伽馬射線暴可能是原始黑洞爆炸引起的。雖然較長的爆發被認為與爆炸或合併的恆星有關，但短事件可能另有解釋。未來的觀測應該會解決這個問題，但天文觀測可以探測黑洞蒸發最後階段的可能性令人興奮。
透過粒子加速器產生黑洞是一個更令人興奮的可能性。在產生高密度方面，沒有哪個裝置能超過像位於伊利諾伊州巴塔維亞的費米國家加速器實驗室的LHC和Tevatron這樣的加速器。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7萬億電子伏特 (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，或是質子靜止質量的 7000 倍。當兩個這樣的粒子在近距離碰撞時，它們的能量會集中在一個很小的空間區域內。因此，人們可能會猜測，偶爾，碰撞的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 千克的質量遠低於普朗克值的108 千克，傳統的引力理論認為這是可能存在的最小黑洞質量。這個下限來自於量子力學的不確定性原理。因為粒子也像波一樣，它們會分散在一個隨著能量增加而減小的距離上——在LHC能量下，大約為 10-19 米。因此，這是粒子能量可以被壓縮到的最小區域。這允許密度達到每立方米1034 千克，這很高，但不足以產生黑洞。要使粒子既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，這是LHC能量的 1015 倍。有趣的是，加速器可能能夠創造出與黑洞在數學上相關的物體。位於紐約州厄普頓的布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機可能已經做到了這一點，但黑洞本身似乎遙不可及。
深入其他維度
然而，在過去的十年裡，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，它預測空間除了通常的三個維度外還有其他維度。引力，與其他力不同，應該會傳播到這些維度中，並因此在短距離處意外地變得更強。在三個維度中，當你將兩個物體之間的距離減半時，引力會增加四倍。但在九個維度中，引力會變得強256倍。如果空間的額外維度足夠大，這種效應可能會非常重要，並且在過去幾年中得到了廣泛的研究。還有其他額外維度的配置，稱為扭曲緊緻化，它們具有相同的引力放大效應，如果弦理論是正確的，它們可能更有可能發生；近年來對這些進行了廣泛的研究。
引力強度的這種增強意味著引力定律和量子力學發生衝突的真正能量尺度——並且可以製造黑洞——可能比傳統的預期要低得多。儘管目前還沒有實驗證據支援這種可能性，但這個想法為各種理論難題提供了新的思路。如果這是真的，那麼製造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進行的理論研究可以追溯到 1970 年代中期牛津大學的羅傑·彭羅斯以及 1990 年代初期的彼得·DEath 和菲利普·諾伯特·佩恩（當時都在劍橋大學）的工作。額外維度的新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茲分校和羅格斯大學的湯姆·班克斯以及德克薩斯大學奧斯汀分校的威利·菲施勒撰寫了一篇 1999 年的論文，其中初步討論了黑洞的產生。
在 2001 年的一次研討會上，兩個小組——其中之一是我們（吉丁斯），與當時在斯坦福大學的斯科特·托馬斯，以及斯坦福大學的薩瓦斯·迪莫普洛斯，與布朗大學的格雷格·蘭茨伯格——獨立地描述了在LHC等粒子對撞機上產生黑洞的可觀測效應，從而闡述了其發現的潛力。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，即對應於普朗克尺度的最低合理值時，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。
這些黑洞的蒸發會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，但衰變中的黑洞是不同的。根據霍金的理論，它會向各個方向輻射大量具有非常高能量的粒子。衰變產物包括自然界中發現的所有粒子種類。此後，幾個研究小組對黑洞在LHC的探測器中產生的顯著特徵進行了越來越詳細的研究。
會下黑洞雨嗎？
在地球上製造黑洞的前景可能會讓一些人覺得很愚蠢。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？乍一看，這似乎是一個嚴重的問題，尤其是考慮到霍金最初論證的一些細節可能是不正確的——特別是關於資訊在黑洞中被破壞的說法。
但一般的量子推理表明，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它們衰變時才是穩定的；例如，電荷守恆和重子數守恆（除非它以某種方式被違反，否則會確保質子的穩定性）。沒有這樣的守恆定律可以穩定一個小的黑洞。在量子理論中，任何沒有明確禁止的東西都是必須的，因此小的黑洞將根據熱力學第二定律迅速衰變。
事實上，像LHC上的高能碰撞已經發生過——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頂上無害地產生它們了。吉丁斯和托馬斯早期的估計表明，能量高達109 TeV的最高能量宇宙射線——質子或較重的原子核——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茲分校的戴維·多芬和斯坦福直線加速器中心的湯姆·裡佐，以及獨立地，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——發現宇宙中微子的碰撞可能更有效。如果是這樣，那麼目前正在收集資料的阿根廷的新奧格宇宙射線天文臺和升級後的猶他州蠅眼天文臺每年可能會觀測到幾個以上的黑洞。然而，這些觀測不會消除對加速器實驗的需求，因為加速器實驗可以更可靠地、以更大的數量和在更可控的情況下產生黑洞。
產生黑洞將開啟物理學的一個全新領域。它們的存在本身將是空間先前隱藏的維度的有力證據，透過觀察它們的性質，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，黑洞將進一步深入額外維度，並且其大小可能與其中一個或多個維度相當，從而導致黑洞溫度對質量的依賴性發生顯著變化。同樣，如果一個黑洞增長到足以在額外維度中與一個平行的三維宇宙相交，其衰變特性會突然改變。
在加速器中製造黑洞也標誌著人類歷史探索的終結：理解越來越精細的物質尺度。在過去的一個世紀裡，物理學家們將小的邊界推後——從塵埃到原子到質子和中子到夸克。如果他們能夠創造黑洞，他們將達到普朗克尺度，這被認為是最短的有意義的長度，即低於該極限距離，空間和長度的概念很可能不再存在。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不可避免地會導致黑洞的產生。更高能量的碰撞，不是將物質分裂成更細小的碎片，而是會產生更大的黑洞。這樣，黑洞的出現將標誌著科學邊界的結束。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結構。
作者
伯納德·J·卡爾和史蒂文·B·吉丁斯於 2002 年在慶祝斯蒂芬·霍金 60 歲生日的會議上首次見面。卡爾將他對天體物理學的熱情追溯到奈傑爾·考爾德在 BBC 電視臺 1969 年製作的著名紀錄片《暴力宇宙》。他在 1970 年代成為霍金的研究生，是最早研究小型黑洞的科學家之一，今天在倫敦大學瑪麗女王學院擔任教授。吉丁斯在父親第一次告訴他量子力學的怪異特性時對物理學產生了興趣。他繼續成為量子引力和宇宙學方面的專家，是最早研究在粒子加速器中創造黑洞的可能性的人之一，現在是加州大學聖巴巴拉分校的教授。在不研究引力理論時，他透過攀巖與引力作鬥爭。