自从物理学家大约80年前发明了粒子加速器以来，他们一直用它们来进行诸如分裂原子、嬗变元素、产生反物质和创造自然界中以前未观察到的粒子等奇异任务。不过，如果幸运的话，他们可能很快就会开始一项挑战，这将使这些成就看起来几乎微不足道。加速器可能会产生宇宙中最深不可测的物体：黑洞。
当人们想到黑洞时，通常会想象到可以吞噬宇宙飞船甚至整个恒星的巨大怪物。但是，可能在最高能量加速器中产生的黑洞——最早可能在2008年中期，当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）开始以全部设计能量运行时——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，统治星系，也不会对我们的星球构成威胁，但在某些方面，它们的性质应该更加引人注目。由于量子效应，它们会在形成后不久蒸发，使粒子探测器像圣诞树一样闪闪发光。通过这样做，它们可以提供有关时空如何编织在一起以及它是否具有看不见的高维度的线索。
一个紧密的挤压
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在现代形式中，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，其引力将变得如此强大，以至于它会雕刻出一个任何东西都无法逃脱的空间区域。该区域的边界是黑洞的事件视界：物体可以落入，但任何物体都无法出来。在最简单的情况下，如果空间没有隐藏维度，或者这些维度小于黑洞，则其大小与质量成正比。如果将太阳压缩到三公里的半径，大约是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，您需要将其挤压到九毫米的半径，大约是其当前大小的十亿分之一。
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。这样的密度大约是当前宇宙中通过引力坍缩所能产生的最高密度。比太阳轻的物体会抵抗坍缩，因为它会被亚原子粒子之间的排斥量子力稳定下来。在观测上，最轻的黑洞候选者约为六个太阳质量。
然而，恒星坍缩并不是黑洞可能形成的唯一方式。在 1970 年代初期，剑桥大学的斯蒂芬·霍金和我们中的一位（卡尔）研究了一种在早期宇宙中产生黑洞的机制。这些被称为原始黑洞。随着宇宙膨胀，物质的平均密度降低；因此，过去的密度要高得多，尤其是在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高达所谓的普朗克值 1097 千克/立方米——在该密度下，引力强度变得如此强大，以至于量子力学波动会破坏时空结构。这样的密度足以创造一个仅 1035 米宽（称为普朗克长度的维度）且质量为 108 千克（普朗克质量）的黑洞。
根据对引力的传统描述，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。任何小于 1012 千克的黑洞仍然比质子小，但超过此质量后，这些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代形成的黑洞，其质量将与太阳相当，因此将是宏观的。
早期宇宙的高密度是形成原始黑洞的先决条件，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，因此密度波动也是必要的。天文学家知道，至少在大型尺度上存在这种波动，否则星系和星系团等结构永远不会合并。为了形成原始黑洞，这些波动在较小尺度上必须比在较大尺度上更强，这是可能的，但不是必然的。即使在没有波动的情况下，黑洞也可能在各种宇宙学相变中自发形成——例如，当宇宙结束其早期加速膨胀时期（称为暴胀）时，或在核密度时期，当质子等粒子从其组成夸克的汤中凝聚出来时。事实上，宇宙学家可以根据没有太多物质最终变成原始黑洞的事实，对早期宇宙模型施加重要的约束。
去，去，消失了？
意识到黑洞可能很小促使霍金考虑可能会发生哪些量子效应，并且在 1974 年他得出了著名的结论，即黑洞不仅吞噬粒子，还将其吐出。霍金预测，黑洞会像热煤一样以热力方式辐射，温度与其质量成反比。对于太阳质量的黑洞，温度约为开尔文的百万分之一，这在当今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（大约是山脉的质量），它是 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，因此黑洞的质量趋于减小。因此，黑洞非常不稳定。随着它收缩，它会变得越来越热，发射出越来越高能的粒子，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，它会以一百万兆吨核弹的能量爆炸。黑洞蒸发掉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 1064 年。对于 1012 千克的黑洞，它是 1010 年——大约是宇宙的当前年龄。因此，任何这种质量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早期的宇宙时期蒸发掉。
霍金的工作是一项巨大的概念性进步，因为它将三个先前不同的物理领域联系起来：广义相对论、量子理论和热力学。这也是朝着完整的引力量子理论迈出的一步。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见解。因此，即使某些东西不存在，研究它也可能是有用的。
特别是，这项发现开启了一个深刻的悖论，该悖论旨在说明为什么广义相对论和量子力学如此难以调和。根据相对论，有关落入黑洞的信息将永远丢失。但是，如果黑洞蒸发了，那么其中包含的信息会发生什么？霍金认为，黑洞会完全蒸发，破坏信息并违反量子力学的基本原则。但是，这种信息的破坏也与能量守恒定律相冲突，使这种可能性难以置信。
另一种选择是，蒸发的黑洞会留下残骸，这同样令人难以接受。为了使这些残骸编码所有可能进入黑洞的信息，它们必须具有无限多种类型。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，黑洞残骸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。自然界将发生灾难性的不稳定。第三种（也是最有可能的）可能性是信息通过局部性（即空间上分离的点上的事件只有在光在它们之间传播后才能相互影响的概念）的崩溃而逃脱——这比普通的量子非局部性更深刻。这个难题至今仍在挑战着理论家。
寻找黑洞
物理学的进步通常需要实验的指导，因此微观黑洞提出的问题激发了对它们的实证搜索。一种可能性是，天文学家或许能够探测到质量为 1012 千克的原始黑洞在当前宇宙中爆炸。这些黑洞大约十分之一的质量将转化为伽马射线。1976 年，当时在加州理工学院的霍金和唐·佩奇意识到，伽马射线背景观测对这种黑洞的数量施加了严格的上限。例如，它们不能构成宇宙暗物质的很大一部分，并且它们的爆炸很少会近到可以被探测到。然而，在 1990 年代中期，加州大学洛杉矶分校的戴维·克莱恩和他的同事们认为，最短的伽马射线暴可能是原始黑洞爆炸引起的。虽然较长的爆发被认为与爆炸或合并的恒星有关，但短事件可能另有解释。未来的观测应该会解决这个问题，但天文观测可以探测黑洞蒸发最后阶段的可能性令人兴奋。
通过粒子加速器产生黑洞是一个更令人兴奋的可能性。在产生高密度方面，没有哪个设备能超过像位于伊利诺伊州巴塔维亚的费米国家加速器实验室的LHC和Tevatron这样的加速器。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7万亿电子伏特 (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，或是质子静止质量的 7000 倍。当两个这样的粒子在近距离碰撞时，它们的能量会集中在一个很小的空间区域内。因此，人们可能会猜测，偶尔，碰撞的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 千克的质量远低于普朗克值的108 千克，传统的引力理论认为这是可能存在的最小黑洞质量。这个下限来自于量子力学的不确定性原理。因为粒子也像波一样，它们会分散在一个随着能量增加而减小的距离上——在LHC能量下，大约为 10-19 米。因此，这是粒子能量可以被压缩到的最小区域。这允许密度达到每立方米1034 千克，这很高，但不足以产生黑洞。要使粒子既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，这是LHC能量的 1015 倍。有趣的是，加速器可能能够创造出与黑洞在数学上相关的物体。位于纽约州厄普顿的布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机可能已经做到了这一点，但黑洞本身似乎遥不可及。
深入其他维度
然而，在过去的十年里，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，它预测空间除了通常的三个维度外还有其他维度。引力，与其他力不同，应该会传播到这些维度中，并因此在短距离处意外地变得更强。在三个维度中，当你将两个物体之间的距离减半时，引力会增加四倍。但在九个维度中，引力会变得强256倍。如果空间的额外维度足够大，这种效应可能会非常重要，并且在过去几年中得到了广泛的研究。还有其他额外维度的配置，称为扭曲紧致化，它们具有相同的引力放大效应，如果弦理论是正确的，它们可能更有可能发生；近年来对这些进行了广泛的研究。
引力强度的这种增强意味着引力定律和量子力学发生冲突的真正能量尺度——并且可以制造黑洞——可能比传统的预期要低得多。尽管目前还没有实验证据支持这种可能性，但这个想法为各种理论难题提供了新的思路。如果这是真的，那么制造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进行的理论研究可以追溯到 1970 年代中期牛津大学的罗杰·彭罗斯以及 1990 年代初期的彼得·DEath 和菲利普·诺伯特·佩恩（当时都在剑桥大学）的工作。额外维度的新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兹分校和罗格斯大学的汤姆·班克斯以及德克萨斯大学奥斯汀分校的威利·菲施勒撰写了一篇 1999 年的论文，其中初步讨论了黑洞的产生。
在 2001 年的一次研讨会上，两个小组——其中之一是我们（吉丁斯），与当时在斯坦福大学的斯科特·托马斯，以及斯坦福大学的萨瓦斯·迪莫普洛斯，与布朗大学的格雷格·兰茨伯格——独立地描述了在LHC等粒子对撞机上产生黑洞的可观测效应，从而阐述了其发现的潜力。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，即对应于普朗克尺度的最低合理值时，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。
这些黑洞的蒸发会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，但衰变中的黑洞是不同的。根据霍金的理论，它会向各个方向辐射大量具有非常高能量的粒子。衰变产物包括自然界中发现的所有粒子种类。此后，几个研究小组对黑洞在LHC的探测器中产生的显著特征进行了越来越详细的研究。
会下黑洞雨吗？
在地球上制造黑洞的前景可能会让一些人觉得很愚蠢。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？乍一看，这似乎是一个严重的问题，尤其是考虑到霍金最初论证的一些细节可能是不正确的——特别是关于信息在黑洞中被破坏的说法。
但一般的量子推理表明，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它们衰变时才是稳定的；例如，电荷守恒和重子数守恒（除非它以某种方式被违反，否则会确保质子的稳定性）。没有这样的守恒定律可以稳定一个小的黑洞。在量子理论中，任何没有明确禁止的东西都是必须的，因此小的黑洞将根据热力学第二定律迅速衰变。
事实上，像LHC上的高能碰撞已经发生过——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顶上无害地产生它们了。吉丁斯和托马斯早期的估计表明，能量高达109 TeV的最高能量宇宙射线——质子或较重的原子核——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兹分校的戴维·多芬和斯坦福直线加速器中心的汤姆·里佐，以及独立地，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——发现宇宙中微子的碰撞可能更有效。如果是这样，那么目前正在收集数据的阿根廷的新奥格宇宙射线天文台和升级后的犹他州蝇眼天文台每年可能会观测到几个以上的黑洞。然而，这些观测不会消除对加速器实验的需求，因为加速器实验可以更可靠地、以更大的数量和在更可控的情况下产生黑洞。
产生黑洞将开启物理学的一个全新领域。它们的存在本身将是空间先前隐藏的维度的有力证据，通过观察它们的性质，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，黑洞将进一步深入额外维度，并且其大小可能与其中一个或多个维度相当，从而导致黑洞温度对质量的依赖性发生显著变化。同样，如果一个黑洞增长到足以在额外维度中与一个平行的三维宇宙相交，其衰变特性会突然改变。
在加速器中制造黑洞也标志着人类历史探索的终结：理解越来越精细的物质尺度。在过去的一个世纪里，物理学家们将小的边界推后——从尘埃到原子到质子和中子到夸克。如果他们能够创造黑洞，他们将达到普朗克尺度，这被认为是最短的有意义的长度，即低于该极限距离，空间和长度的概念很可能不再存在。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不可避免地会导致黑洞的产生。更高能量的碰撞，不是将物质分裂成更细小的碎片，而是会产生更大的黑洞。这样，黑洞的出现将标志着科学边界的结束。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结构。
作者
伯纳德·J·卡尔和史蒂文·B·吉丁斯于 2002 年在庆祝斯蒂芬·霍金 60 岁生日的会议上首次见面。卡尔将他对天体物理学的热情追溯到奈杰尔·考尔德在 BBC 电视台 1969 年制作的著名纪录片《暴力宇宙》。他在 1970 年代成为霍金的研究生，是最早研究小型黑洞的科学家之一，今天在伦敦大学玛丽女王学院担任教授。吉丁斯在父亲第一次告诉他量子力学的怪异特性时对物理学产生了兴趣。他继续成为量子引力和宇宙学方面的专家，是最早研究在粒子加速器中创造黑洞的可能性的人之一，现在是加州大学圣巴巴拉分校的教授。在不研究引力理论时，他通过攀岩与引力作斗争。