終極對撞：撞出一個黑洞來？

沈英甲

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LargeHadron Collider，簡稱LHC)按計劃即將投入運行。作為地球上最大的機器，大型強子對撞機將會以接近光速的速度，讓兩束粒子撞擊，模擬出宇宙大爆炸后的狀態(tài)。物理學家希望借此來解開長期以來的重大和基本難題，比如粒子為何存在質(zhì)量(即驗證希格斯玻色子)、空間是否隱藏著額外的維度等等。

“大型強子對擅機”的驚人功能

自從1980年建造“大型強子對撞機”的構(gòu)想問世以來，歷經(jīng)近30年，這一“世界上最大的機器”終于從夢想成為現(xiàn)實。

它是世界上最大的機器：“大型強子對撞機”不僅是世界上最大的粒子加速器，而且是世界上最大的機器。它位于法國和瑞士邊境地區(qū)的地下100米深的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659千米。

它是地球上最快的“軌道”：如果“開足馬力”，數(shù)以百萬計的粒子將在環(huán)形隧道內(nèi)產(chǎn)生每秒11245圈的速度，約等于光速的99.99％。

它是太陽系中最“空曠”的地方：為避免粒子流與氣體分子發(fā)生碰撞，粒子流都在超高真空的“通道”內(nèi)運行，其間如同星際空間一樣“空曠”，氣壓僅為10^-13個標準大氣壓，比月球上的大氣壓還小10倍。

它是最熱與最冷的機器：大型強子對撞機是個既極端熱又極端冷的機器。當兩束粒子流對撞的時候，碰撞點將產(chǎn)生極端高溫，可以達到太陽中心溫度的10萬倍。而與之形成鮮明對比的是，由于采用了超流體氦冷卻等手段，對撞機中粒子運行的加速腔在工作時的溫度僅為零下271.3℃，比宇宙深處還要冷。

它是全球最強大的超級計算機系統(tǒng)：大型強子對撞機上進行的每一個大型試驗一年所獲得的數(shù)據(jù)，可以刻滿十萬張雙層DVD。為了對這些數(shù)據(jù)進行分析，世界各地成千上萬名科學家都參與進來，他們所使用的數(shù)萬臺甚至數(shù)十萬臺計算機借助分布式計算網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)格計算)聯(lián)合在一起，這也構(gòu)成了全球最強大的超級計算機系統(tǒng)。

宇宙之謎“擅”出來

宇宙大爆炸學說是目前影響力最廣的宇宙起源學說，產(chǎn)生于上個世紀20年代。但宇宙是否真的起源于大爆炸，至今仍缺乏足夠的令人信服的證據(jù)。科學家們將在LHC對撞實驗中加速粒子并使它們相撞，創(chuàng)造出與宇宙大爆炸之后萬億分之一秒時的狀態(tài)類似的條件，接著細致分析撞擊產(chǎn)生的殘骸，從而揭開諸多宇宙之謎，比如宇宙是如何從虛無中創(chuàng)造物質(zhì)的，以及物質(zhì)為什么會有質(zhì)量等。

希格斯玻色子被認為是物質(zhì)的質(zhì)量之源。根據(jù)被稱為“標準模型”的粒子物理學理論，基本粒子被分成3大類：夸克、輕子與玻色子。但這個“標準模型”有個致命缺陷，那就是無法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來源。為了修補“標準模型”理論的缺陷，英國科學家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在，并進而預(yù)言了希格斯玻色子的存在。假設(shè)出的希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，其他粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量?！皹藴誓Ｐ汀鳖A(yù)言了62種基本粒子的存在，這些粒子基本都已被實驗所證實，而希格斯玻色子是最后一種未被證實的基本粒子。如果大型強子對撞機確能發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的存在，它將填補“標準模型”這個巨大的空白。

不過，自LHC建立之初，反對的聲音就一直沒有平息過，有學者創(chuàng)建了粒子模型試圖證明LHC不會找到希格斯玻色子。更多的擔心集中于黑洞——根據(jù)各種版本的弦理論，黑洞可能會在對撞機上顯現(xiàn)。為此，兩位科學家甚至把歐洲核子研究中心告上了法庭，他們認為實驗可能會制造出能吞噬地球的黑洞或粒子，比如“殺手奇異子”。如果一種奇異子十分穩(wěn)定并且?guī)в胸撾?，那它們就有可能“吞下”普通物質(zhì)的原子核，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌娈愇镔|(zhì)”，最終一系列危險的連鎖反應(yīng)會毀滅整個地球。

科學家已經(jīng)造出微型黑洞

其實，今年3月就有報道說，美國布朗大學一位物理學家霍拉蒂·納斯塔西已經(jīng)在實驗中制造出了一個人造黑洞。雖然這個黑洞體積很小，卻具備真正黑洞的許多特點。這個黑洞不像我們以為的“黑洞是黑的”，而是個明亮的火球。

紐約布魯克海文國家實驗室里的相對重離子對撞機，可以以接近光速的速度讓大型原子的原子核(如金原子核)相互碰撞，產(chǎn)生相當于太陽表面溫度3億倍的熱能。納斯塔西在這個實驗室里利用原子撞擊原理制造出來的灼熱火球，恰好具備天體黑洞的顯著特性：火球可以將周圍10倍于自身質(zhì)量的粒子吸收，這比目前所有量子物理學所推測的火球可吸收的粒子數(shù)目要多。

人造黑洞的設(shè)想最初提出于20世紀80年代，由加拿大不列顛哥倫比亞大學的威廉·昂魯教授提出，他認為聲波在流體中的表現(xiàn)與光在黑洞中的表現(xiàn)非常相似，如果使流體的速度超過聲速，那么事實上就已經(jīng)在該流體中建立了一個人造黑洞。然而由于他的人造黑洞缺乏足夠的引力，無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。然而，納斯塔西教授制造的人造黑洞已經(jīng)可以吸收其他物質(zhì)了。因此，有關(guān)專家認為，這是黑洞研究領(lǐng)域的重大突破。目前，不少科學家對于接受“黑洞”的概念還不大情愿。因為黑洞理論沒有直接的實驗數(shù)據(jù)來支持。納斯塔西教授此次制造的人造黑洞，給黑洞理論一個比較直接的實驗證據(jù)，可能會重新掀起一股黑洞研究熱潮。

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機有可能制造出大量微型黑洞，幫助理論物理學家研究物質(zhì)和時空的一些基本性質(zhì)。美國斯坦福大學和布朗大學的兩位科學家在美國《物理評論快報》上說，大型強子對撞機可能以每秒1個的速度制造大量極為微小的黑洞。黑洞是把大量質(zhì)量壓縮在極小空間里形成的引力場極強的天體，而大型強子對撞機能把大量能量壓縮在很小的空間里，也會形成黑洞。這種黑洞的體積還不到一個原子核的百萬分之一，只能生存很短的時間。一般說來，物質(zhì)只能掉進黑洞，而不能離開。但英國物理學家霍金曾經(jīng)預(yù)言，黑洞會以一種特殊輻射的形式“蒸發(fā)”。對由恒星形成的普通黑洞來說，這一過程極為緩慢。但大型強子對撞機制造的微小黑洞可能會像雪花一樣迅速消融。

霍金關(guān)于黑洞“蒸發(fā)”的理論從未得到證明，用大型強子對撞機尋找這種“霍金輻射”，有希望為該理論提供事實依據(jù)。有關(guān)實驗結(jié)果還可能為研究時空構(gòu)造提供線索。許多關(guān)于宇宙早期狀態(tài)的理論認為，時空可能不僅僅包括我們平時感知的三維空間和一維時間，還有更多的維度存在。據(jù)認為，黑洞的“霍金輻射”強度與黑洞的質(zhì)量、時空維數(shù)相關(guān)。

黑洞吞噬地球純屬杞人憂天

雖然美國科學家的黑洞研究是高能粒子領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)研究，但是一些軍事研究人員一直在關(guān)注黑洞的研究，企圖把黑洞研究應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。俄羅斯科學家亞力克山大·特羅菲蒙柯預(yù)言：黑洞不僅可以在實驗室中制造出來，而且50年后，具有巨大能量的“黑洞炸彈”將使如今人類談之色變的原子彈也相形見絀。一個原子核大小的黑洞，它的能量將超過一家核工廠。如果人類有一天真的制造出黑洞炸彈，那么一顆黑洞炸彈爆炸后產(chǎn)生的能量，將相當于無數(shù)顆原子彈同時爆炸，它至少可以造成10億人死亡。據(jù)特羅菲蒙柯稱，制造“黑洞炸彈”的反物質(zhì)被科學家們稱作“歐頓”(o－tone)，一個歐頓的質(zhì)量僅相當于一個原子的40倍。

科學家對人造黑洞的未來看法不一，納斯塔西教授制造的火球?qū)θ祟悰]有任何危險，這些火球只能持續(xù)閃爍十億分之一秒，不會對周圍物體產(chǎn)生大影響，更不能用作消滅敵人的武器。納斯塔西教授的實驗純粹是理論性的，即使該理論能夠被證明完全正確，依靠粒子加速器制造出來的“人造黑洞”體積太小，其重力作用顯得微乎其微，根本吞噬不了任何物質(zhì)。英國帝國學院的宇宙學家安德魯·賈菲說，真正能夠引起人們興趣或驚慌的黑洞，其質(zhì)量必須非常巨大。真正的天體黑洞是由質(zhì)量巨大的恒星形成的，自身內(nèi)部不斷崩塌毀滅，依靠巨大的引力“吞噬”周圍物質(zhì)。

有科學家認為，無論如何，現(xiàn)代物理學無法在地球上制造出具有破壞性的黑洞。因為根據(jù)物理學的基本定律，加速器中的粒子的速度是有限的，達到一定速度就上不去了。正如賈菲博士所說，加速器里放在一起的幾個粒子，不會傷害任何人。但是，也有科學家對此持反對意見，他們說科學的發(fā)展有時超越了人類的想像，現(xiàn)在的有些技術(shù)和理論是100年前的人們難以想像的。尤其可怕的是，如果有人真的把黑洞用作武器的話，它對人類的威脅可能比核武器還嚴重，或許屆時將制定新的限制黑洞武器的公約了。不過，黑洞將吞噬地球的任何恐懼實在是毫無根據(jù)的。