太空僧，和尚洗头用飘柔 阅读原文 “顶级天文学家警告说，如果对撞机实验出现黑洞，将引发全球灾难性事件，地球直径可能会缩小为 100 米。” ----- 号称英国第一大报《每日电讯报》 2018 年 9 月 29 日[1]讯。 我们知道，十多年前，准确地说是 2008 年 9 月 10 日，欧洲大型强子对撞机(下面都简称 LHC)初次启动进行测试。这么多年过去了，地球也安然无恙，并没有哪个新闻说欧洲有哪个地方被黑洞吞噬了。现在这个话题连民科都不热衷去讨论了。 但过去没发生过，不代表未来也是安全的，那对撞机产生的微型黑洞真的会吞噬地球么？ 大自然已经做了这个实验 面对民众（在小报舆论助推下产生的）大量的质疑，物理学家实际上已经做了很多风险评估，毕竟物理学家也不想成为灭霸。他们举出了很多论据，有些看上去很单薄，但几个论据放在一起，能够很好地从理论上将风险降至几乎为 0。 由几个独立实验测得的超高能宇宙射线的光谱。图中显示的每条宇宙射线的能量，均高于 10 的 17 次方 eV，它与大气层的碰撞中释放出的能量比在对撞机中的质子 - 质子碰撞要多得多得多 科学家最愿意举的一个例子，也是最流行（因为没有公式最容易懂）的例子，就是“宇宙射线论”：自地球诞生以来，大气层其实被宇宙射线已经轰击了数十亿年，其在高层大层中产生的粒子碰撞的速度比 LHC 要快得多，如果有任何高能碰撞（产生黑洞）的危险，我们很可能早就在大气层或各种望远镜中观察到了它了。地球上每一平方公里每年接收到的超高能宇宙射线是 LHC 对撞所提供能量的百万倍以上。而且不只是地球，高能碰撞发生在每颗行星、卫星甚至是恒星上，我们在整个宇宙中可观测到的这些大量天体，都在承受着宇宙射线的轰击。可观测宇宙中每秒有超过 1000 万次[2]类似 LHC 的对撞。如果 LHC 能产生危险的黑洞，那我们就会看到相关的观测证据。 但事实上，宇宙并没有到处都是黑洞。恒星和星系仍然好好地存在着。 因此从这点来看，如果地球和宇宙至今是安全的，那么大型强子对撞机也应该是安全的。 霍金辐射 现在是 2022 年，过去几十年来，LHC 对撞机的能量一直在不断提升，按照人类目前理解和掌握的自然规律来看，LHC 所提供的最大 TeV 级能量也不可能形成有危险的黑洞，除非存在较大的额外维度。 也就是说，诱发较大黑洞产生所需的能量虽然不足，但额外维度的数量也将有助于黑洞的形成。如果在量子水平上有更多额外维度，那 LHC 提供的能量是有可能形成微型黑洞的（同理，按上面所述，那大气层中也应该会形成）。 但即使 LHC 对撞中确实出现了微型黑洞，它也会在到达探测器之前就因霍金辐射而迅速衰变。我们知道，越小的黑洞衰亡时间越短，LHC 如果能产生 TeV 级的黑洞，那么它将会在大约 10 的负 27 次方秒内迅速瓦解[3]。这个时间有多短呢？如果把它变成 1 秒钟那么长，那么你眨一下眼（现实中的 1 秒钟）将用掉 30,000,000,000,000,000,000 年，也就是 3 千亿亿年（相比之下，地球的 45.5 亿年寿命算得了什么）。 拥有医学学位的混沌理论学家 Roessler 教授是霍金辐射的反对者，但 Nicolai[4]、Bruhn[5]和 Giulini 等人分别指出他未能理解广义相对论和史瓦西度量，论点是不自洽的，他依赖的引力理论已在 1915 年被推翻[6]。 以下为无聊的计算过程 绝大多数物理学家都同意 LHC 如果产生微观黑洞，也将是极不稳定的。物理学家 Giddings 和 Mangano 在 2008 年的论文[7]中详细分析了 LHC 如果在多维理论下可能产生稳定 TeV 级黑洞时的宏观影响。 他们假设在某种极端情况下，LHC 在地心处（方便吸积计算）产生了各种 TeV 尺度的稳定微型黑洞（微观黑洞可以通过质子内部的夸克和 / 或胶子的碰撞产生，理论上应迅速衰变回夸克和 / 或胶子），并开始吸积周围的物质。首先排除其在比太阳寿命更短的时间内吞噬地球，否则白矮星和中子星受宇宙射线撞击产生的黑洞将与已知观测寿命不符。 然后他们研究发现，在地球被太阳吞噬之前，没有任何理由担心大型强子对撞机的 TeV 规模黑洞对地球能构成风险。这种疯狂的猜测没有任何科学依据。 先不考虑爱丁顿光度，假设一个质量为 m(t)的黑洞，它的横截面 S 为 假设其周围物质密度为ρ，音速为 v，它的质量将增长为： 为了写的方便，括号内记做 A，即 过程略了，求得该方程的解是 即当 t>1/Am(0)时发散，也就是说这时黑洞会吞噬掉地球。什么概念呢？地核最中间的密度约为ρ=12,500 kg/m^3，v=11,000 m/s，一个质量为 1kg 的黑洞需要 10 的 36 次方年的时间才能完成吞噬（实际上，当吸积到一定质量后，将有可能会停止吸积，这个计算只是求个理论下限，这里就不去说了）。或者说，需要一开始就通过对撞形成一个地球质量那么大的黑洞，才能有可能在较近的未来产生灾难。（我之前的一篇“地球中心有可能是黑洞么？”的回答中算得更详细些，有兴趣可以去找出来看一下，或者直接去读一下 Giddings 的原文）LHC 的 安全评估小组 (LSAG)在 2008 年再一次评估了相关风险[8]，连真空泡、奇异子[9]和磁单极子都考虑进去了，结果不变。 综上，基于极保守的详细计算和可靠的天文数据，物理学家可以拍胸脯说，在比地球自然寿命更短的时间尺度上，对撞机产生的 TeV 规模黑洞没有任何意义的风险。 “大型强子对撞机启动时，世界不会终结。LHC 绝对安全。每天在地球大气中发生数百万次更大能量释放的碰撞，并没有什么可怕的事情发生。” -- 史蒂文·霍金教授 “认为 LHC 高能粒子碰撞会产生危险黑洞的想法是谣言。这种谣言是由非专业人士道听途说后歪曲并散布的，以寻求轰动或宣传效果。” -- 维塔利·金茨堡，诺贝尔物理学奖得主 阅读原文
