自从物理学家在大约80年前发明了粒子加速器以来，他们就将其用于各种奇异的任务，例如分裂原子、嬗变元素、产生反物质以及创造以前在自然界中未观察到的粒子。不过，如果运气好的话，他们可能很快就会承担一项挑战，这将使这些成就显得几乎微不足道。加速器可能会产生宇宙中最神秘的物体：黑洞。
当人们想到黑洞时，通常会想到可以吞噬宇宙飞船，甚至吞噬整个恒星的巨大怪物。但是，在最高能量加速器中可能产生的黑洞——最早可能在2007年，位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）启动时——是这种天体巨兽的远房表亲。它们将是微观的，大小与基本粒子相当。它们不会撕裂恒星，不会统治星系，也不会对我们的星球构成威胁，但在某些方面，它们的特性应该更加引人注目。由于量子效应，它们会在形成后不久蒸发，像圣诞树一样点亮粒子探测器。这样做，它们可以提供关于时空如何编织在一起以及它是否具有看不见的更高维度的线索。
紧密挤压
在其现代形式中，黑洞的概念源于爱因斯坦的广义相对论，该理论预测，如果物质被充分压缩，其引力将变得非常强大，以至于它会从空间中开辟出一个任何东西都无法逃脱的区域。该区域的边界是黑洞的事件视界：物体可以落入，但没有任何东西可以出来。在最简单的情况下，如果空间没有隐藏的维度，或者这些维度小于黑洞，则其大小与其质量成正比。如果你将太阳压缩到半径为三公里，约为其当前大小的四百万分之一，它将变成一个黑洞。为了让地球遭遇同样的命运，你需要将其挤压到半径为九毫米，约为其当前大小的十亿分之一。
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因此，黑洞越小，创建它所需的压缩程度就越高。物质必须被挤压到的密度与质量的平方成反比。对于质量与太阳相当的黑洞，密度约为每立方米1019千克，高于原子核的密度。这种密度大约是通过当前宇宙中的引力坍缩可以产生的最高密度。质量小于太阳的天体可以抵抗坍缩，因为它受到亚原子粒子之间排斥量子力的稳定作用。在观测上，最轻的黑洞候选者约为太阳质量的六倍。
恒星坍缩并不是黑洞形成的唯一方式。在1970年代初期，剑桥大学的斯蒂芬·W·霍金和我们中的一位（卡尔）研究了在早期宇宙中产生黑洞的机制。这些被称为“原始”黑洞。随着空间的膨胀，物质的平均密度降低；因此，过去的密度要高得多，特别是在宇宙大爆炸后的第一个微秒内超过了核水平。已知的物理定律允许物质密度达到所谓的普朗克值，即每立方米1097千克——在这个密度下，引力的强度变得如此之大，以至于量子力学涨落应该会破坏时空结构。这样的密度足以创造出直径仅为10¿35米的黑洞（称为普朗克长度），质量为10¿8千克（普朗克质量）。
根据传统的引力描述，这是最轻的可能黑洞。它比基本粒子质量大得多，但尺寸小得多。随着宇宙密度的下降，可能会形成越来越重的原始黑洞。任何轻于1012千克的黑洞仍然比质子小，但超过这个质量，黑洞将与更熟悉的物理物体一样大。那些在宇宙密度与核密度匹配的时期形成的黑洞将具有与太阳相当的质量，因此将是宏观的。 [中断]
早期宇宙的高密度是原始黑洞形成的先决条件，但并不能保证它。为了使一个区域停止膨胀并坍缩成黑洞，它必须比平均密度更高，因此密度涨落也是必要的。天文学家知道这种涨落是存在的，至少在大尺度上是这样，否则星系和星系团等结构永远不会合并。为了使原始黑洞形成，这些涨落必须在小尺度上比在大尺度上更强，这虽然可能但并非必然。即使在没有涨落的情况下，黑洞也可能在各种宇宙学相变中自发形成——例如，当宇宙结束其早期的加速膨胀时期（称为暴胀）时，或者在核密度时期，当质子等粒子从其组成夸克的汤中凝聚出来时。实际上，宇宙学家可以从没有太多物质最终进入原始黑洞的事实中对早期宇宙模型施加重要的约束。
消失，消失，消失？
认识到黑洞可能很小促使霍金考虑量子效应可能发挥的作用，并在1974年他得出了著名的结论，即黑洞不仅吞噬粒子，而且还吐出粒子[参见S. W. 霍金的“黑洞的量子力学”；大众科学，1977年1月]。霍金预测，黑洞会像热煤一样热辐射，温度与其质量成反比。对于太阳质量的黑洞，温度约为百万分之一开尔文，这在今天的宇宙中完全可以忽略不计。但是对于质量为1012千克的黑洞，大约相当于一座山的质量，它的温度为1012开尔文——足够热以发射无质量粒子（如光子）和有质量粒子（如电子和正电子）。
由于发射带走了能量，黑洞的质量趋于减少。因此，黑洞非常不稳定。随着它的收缩，它变得越来越热，发射出能量越来越高的粒子，并且收缩得越来越快。当黑洞缩小到大约106千克的质量时，游戏就结束了：在一秒钟内，它会像百万兆吨级核弹一样爆炸，释放出巨大的能量。黑洞蒸发消失的总时间与其初始质量的立方成正比。对于太阳质量的黑洞，寿命是无法观测到的漫长的1064年。对于1012千克的黑洞，寿命为1010年——大约是宇宙的当前年龄。因此，任何质量为1012千克的原始黑洞现在都将完成其蒸发并爆炸。任何更小的黑洞都将在更早的宇宙学时期蒸发。
霍金的工作是一项巨大的概念进步，因为它将以前物理学的三个不相关的领域联系起来：广义相对论、量子理论和热力学。这也是朝着完整的量子引力理论迈出的一步。即使原始黑洞从未真正形成，思考它们也带来了非凡的物理学见解。因此，研究一些即使不存在的事物也可能是有用的。
特别是，这项发现揭示了一个深刻的悖论，该悖论直指为什么广义相对论和量子力学如此难以调和的核心。根据相对论，关于落入黑洞的信息永远丢失了。然而，如果黑洞蒸发，那么包含在其中的信息会发生什么？霍金认为黑洞会完全蒸发，从而破坏信息——这与量子力学的原则相矛盾。信息破坏与能量守恒定律相冲突，使得这种情况难以置信。
另一种选择是黑洞留下残余物，这也同样令人难以接受。为了使这些残余物编码所有可能进入黑洞的信息，它们将不得不以无限多种类型出现。物理定律预测，粒子的产生速率与该粒子的类型数量成正比。因此，黑洞残余物将以无限的速率产生；即使是打开微波炉等日常物理过程也会产生它们。自然界将是灾难性地不稳定的。第三种可能性是局域性——空间上分离的点上的事件只有在光有时间在它们之间传播之后才能相互影响的概念——失败了。这个难题至今仍在挑战理论家[参见塞思·劳埃德和 Y. 杰克·吴的“黑洞计算机”；大众科学，2004年11月]。 [中断]
寻找黑洞
物理学的进步通常需要一些实验的指导，因此微观黑洞提出的问题激发了对它们的经验搜索。一种可能性是天文学家可能能够探测到初始质量为1012千克的原始黑洞在当前宇宙中爆炸。这些黑洞的大部分质量将转化为伽马射线。1976年，霍金和当时在加州理工学院的唐·佩奇意识到，伽马射线背景观测对这种黑洞的数量设置了严格的上限。例如，它们不能构成宇宙暗物质的重要组成部分，并且它们的爆炸很少会足够近以至于可以探测到。然而，在1990年代中期，加州大学洛杉矶分校的大卫·克莱恩和他的同事提出，最短的伽马射线暴可能是原始黑洞爆炸。虽然较长的爆发被认为与爆炸或合并的恒星有关，但短事件可能有另一种解释。未来的观测应该可以解决这个问题，但是天文观测可以探测黑洞蒸发的最后阶段的可能性是诱人的。
粒子加速器产生黑洞是一个更令人兴奋的可能性。当谈到产生高密度时，没有设备能超过LHC和位于芝加哥附近的费米国家加速器实验室的Tevatron等加速器。这些机器将亚原子粒子（如质子）加速到非常接近光速的速度。然后，这些粒子具有巨大的动能。在LHC中，质子将达到大约七万亿电子伏特（TeV）的能量。根据爱因斯坦著名的关系式 E = mc2，这个能量相当于10¿23千克的质量，或者是质子静止质量的7,000倍。当两个这样的粒子近距离碰撞时，它们的能量会集中到一个很小的空间区域中。因此，人们可能会猜测，有时，碰撞粒子会足够接近以形成黑洞。
就目前而言，这个论点存在一个问题：10¿23千克的质量远低于10¿8千克的普朗克值，传统的引力理论暗示这是最轻的可能黑洞。这个下限来自量子力学的不确定性原理。由于粒子也像波一样表现，因此它们会分散在一个距离上，该距离随着能量的增加而减小——在LHC能量下，约为10¿19米。因此，这是粒子能量可以被压缩到的最小区域。它允许密度为每立方米1034千克，这很高，但不足以创建黑洞。为了使粒子既具有足够的能量又足够紧凑以形成黑洞，它必须具有普朗克能量，比LHC的能量高出1015倍。尽管加速器可能会创造出与黑洞在数学上相关的物体（并且根据一些理论家的说法，已经这样做了），但黑洞本身似乎遥不可及。
触及其他维度
然而，在过去的十年中，物理学家们意识到，对必要普朗克密度的标准估计可能过高。弦理论是量子引力理论的主要竞争者之一，它预测空间具有超出通常三个维度的维度。与其它力不同，引力应该传播到这些维度中，因此，在短距离处引力会出乎意料地变得更强。在三个维度中，当您将两个物体之间的距离减半时，引力会增加四倍。但是在九个维度中，引力将增强256倍。如果额外的空间维度足够大，这种效应可能非常重要，并且在过去几年中已经对其进行了广泛的研究[参见尼玛·阿卡尼-哈米德、萨瓦斯·迪莫波洛斯和乔治·德瓦利撰写的“宇宙看不见的维度”；大众科学，2000年8月]。还有其他额外的维度配置，称为扭曲紧致化，它们具有相同的引力放大效应，并且如果弦理论是正确的，则可能更可能发生。 [中断]
引力强度的这种增强增长意味着，引力和量子力学定律发生冲突的真实能量尺度——以及可以制造黑洞的能量尺度——可能远低于其传统值。尽管尚无实验证据支持这种可能性，但该想法为许多理论难题提供了启示。如果这是真的，那么创建黑洞所需的密度可能在LHC的范围内。
对高能碰撞中黑洞产生的理论研究可以追溯到牛津大学的罗杰·彭罗斯在1970年代中期以及当时都在剑桥的彼得·德伊思和菲利普·诺伯特·佩恩在1990年代初期的工作。大型额外维度的新发现可能性为这些研究注入了新的活力，并促使加州大学圣克鲁斯分校和罗格斯大学的汤姆·班克斯以及德克萨斯大学的威利·菲施勒在1999年进行了初步讨论。
在2001年的一次研讨会上，两个小组——我们中的一位（吉丁斯）与斯坦福大学的斯科特·托马斯，以及斯坦福大学的萨瓦斯·迪莫波洛斯与布朗大学的格雷格·兰茨伯格——独立地描述了人们在LHC等粒子对撞机上实际会看到什么。经过一些计算，我们感到震惊。粗略的估计表明，在最乐观的情况下，对应于普朗克尺度的最低合理值，黑洞的产生率可能为每秒一个。物理学家将以这种速率产生粒子的加速器称为“工厂”，因此LHC将是一个黑洞工厂。
这些黑洞的蒸发将在探测器上留下非常独特的印记。典型的碰撞会产生适量的高能粒子，但是衰变的黑洞是不同的。根据霍金的工作，它会向各个方向辐射大量能量非常高的粒子。衰变产物包括自然界中的所有粒子种类。此后，几个小组对黑洞将在LHC的探测器中产生的非凡特征进行了越来越详细的研究。
正在下黑洞雨吗？
在地球上产生黑洞的前景可能会让一些人感到愚蠢。我们怎么知道它们会像霍金预测的那样安全地衰变，而不是继续增长，最终吞噬整个地球呢？乍一看，这似乎是一个严重的担忧，特别是考虑到霍金最初论证的一些细节可能不正确——特别是关于信息在黑洞中被破坏的说法。但是事实证明，一般的量子推理暗示微观黑洞不可能稳定，因此是安全的。质量能量的集中，例如基本粒子，只有在守恒定律禁止其衰变时才是稳定的；例子包括电荷守恒和重子数守恒（除非它以某种方式被违反，否则可以确保质子的稳定性）。没有这样的守恒定律来稳定小黑洞。在量子理论中，任何没有明确禁止的事物都是强制性的，因此小黑洞将根据热力学第二定律迅速衰变。
实际上，一个经验论证证实黑洞工厂不会构成危险。高能碰撞，例如LHC中的碰撞，已经发生——例如，在早期宇宙中，甚至现在，当足够高能量的宇宙射线撞击我们的大气层时。因此，如果LHC能量下的碰撞可以制造黑洞，那么大自然已经在我们头上无害地产生它们。吉丁斯和托马斯早期的估计表明，最高能量的宇宙射线——能量高达109 TeV的质子或更重的原子核——每年可能会在大气层中产生多达100个黑洞。
此外，他们——以及加州大学圣克鲁斯分校的大卫·多尔凡和斯坦福直线加速器中心的汤姆·里佐，以及加州大学欧文分校的乔纳森·L·冯和肯塔基大学的阿尔弗雷德·D·沙佩尔独立地发现，宇宙中微子的碰撞可能更有效率。如果是这样，那么目前正在阿根廷收集数据的新的奥格尔宇宙射线天文台和犹他州升级后的蝇眼天文台每年可能会看到几个以上的黑洞。然而，这些观测并不能取代加速器实验的必要性，加速器实验可以更可靠、数量更多、在更受控制的环境下产生黑洞。 [中断]
产生黑洞将开启物理学的一个全新领域。它们的存在本身将证明以前隐藏的空间维度，通过观察它们的特性，物理学家可能会开始探索这些维度的地理特征。例如，随着加速器制造出质量越来越大的黑洞，黑洞将进一步深入到额外的维度中，并且可能变得与其中一个或多个维度的大小相当，从而导致黑洞温度对质量的依赖性发生明显的改变。同样，如果黑洞增长到足以与额外维度中的平行三维宇宙相交，其衰变特性将突然改变。
在加速器中产生黑洞也将代表人类历史上对更精细尺度上理解物质的探索的终结。在过去的一个世纪中，物理学家已经将微小的边界推回——从尘埃到原子，再到质子和中子，再到夸克。如果他们能够创造黑洞，他们将达到普朗克尺度，这被认为是最小的有意义的长度，低于该长度，空间和长度的概念可能不再存在。任何通过进行更高能量的碰撞来研究可能存在的更短距离的尝试都将不可避免地导致黑洞的产生。更高能量的碰撞，与其说是将物质分裂成更精细的碎片，不如说是简单地产生更大的黑洞。通过这种方式，黑洞的出现将标志着科学边界的终结。然而，取而代之的是一个新的边界，即探索空间额外维度的地理。