我们为什么要建造强子对撞机？不怕被黑洞吞噬吗？

　　

　　（全文约5000字，读完需5分钟）

　　以前所未有的能量把物质砸在一起听起来很危险，虽然事实也是如此，即使产生这种危险的概率小于1%。

　　（来源： Darkspace.net论坛）

　　在真空衰变的情况下，我们的宇宙存在于一个虚假的最小状态，并且有可能通过量子隧道效应或导致我们离开该状态的能量冲击进入真实（或更真实）的真空状态。如果这种情况发生在任何地方，每个束缚结构，从质子开始，都会在以光速向外传播的“破坏气泡”中被破坏。

　　关键要点

　　在地球上，大型强子对撞机能将质子加速到 7 TeV 的能量，仅比光速低 3 m/s，然后将它们撞击在一起并检测产生的物质。

　　在 2008 年启用之前，许多人担心探索未知世界的后果，包括我们可能会制造黑洞甚至毁灭宇宙的可能性。

　　但是，当谈到我们居住的宇宙中实际发生了什么的问题时，大自然拥有我们曾经建造或计划建造的任何东西。这就是我们如何知道大型强子对撞机是安全的原因。

　　

　　每当您比以往任何时候都更深入地探索未知世界时，您不仅应该想知道您将要找到什么，还应该担心您可能会挖掘出什么样的“恶魔”。在粒子物理学领域，我们对高能宇宙的探索越深入，这把双刃剑就会以越大的概率出现。我们越能探索以前无法进入的能量前沿，就越能揭示在早期阶段塑造宇宙的高能过程。

　　我们的宇宙如何从最早开始和演化的许多谜团可以通过这种精确的方法得到最好的研究：在越来越高的能量下碰撞粒子。新粒子和稀有过程可以通过处于或超出当前能量边界的加速器物理学来揭示，但这并非没有风险。如果我们能达到这样的能量：

　　揭示/展示创造比反物质更多物质的能力（反之亦然）

　　恢复之前的暴胀状态并建立我们的热大爆炸，

　　或者将宇宙的零点能量从它的“假最小值”状态推到另一个状态

　　某些后果——并非所有后果都是可取的——可能会等到我们所有人。然而，就像“大型强子对撞机可以制造出毁灭地球的黑洞”的概念一样，我们知道我们在地球上进行的任何实验都不会产生任何可怕的后果。宇宙不受任何当前或计划中的粒子加速器的影响。我们就是这样知道的。

　　（图片来源：Rey Hori/KEK ）

　　几十年来，线性轻子对撞机的想法一直在粒子物理学界广为流传，作为探索大型强子对撞机后物理学的理想机器，但前提是大型强子对撞机做出了超越标准模型的发现。直接确认哪些新粒子可能导致 CDF 观察到的 W 玻色子质量差异可能是一项最适合未来圆形对撞机的任务，它可以达到比线性对撞机更高的能量。但是，如果没有新的实验来推动该领域向前发展，理论家就没有足够的指导来找出当今尚未解决的重大问题。

　　在地球上制造粒子加速器有几种不同的方法，最大的区别在于我们选择碰撞的粒子类型以及我们在碰撞它们时能够获得的能量。粒子碰撞的选项是：

　　带正电子的电子最适合产生“干净”信号，其中尽可能多的碰撞能量被转移到新粒子的产生中（通过E = mc 2），

　　电子与质子，这是探索存在于质子内部的夸克内部结构的最佳选择，

　　质子与反质子，这会产生最高能量的碰撞，但代价是亮度（每秒碰撞次数，因为反质子很难大量产生）和信号的清洁度（因为质子和反质子是复合粒子），

　　质子与质子，也产生最高能量的碰撞，但比质子与反质子具有更大的亮度和更大的混乱，

　　或复合的、较重的原子核与其他重原子核，这允许产生夸克-胶子等离子体，并使我们能够研究其特性。

　　未来，μ 子与反 μ 子碰撞可能成为可能，从而充分利用电子-正电子和质子-反质子世界，但目前该技术还不成熟。

　　（图片来源：CERN/ATLAS 协作）

　　CERN 大型强子对撞机 ATLAS 探测器中的候选希格斯事件。请注意，即使有清晰的签名和横向轨迹，也有大量其他粒子；这是因为质子是复合粒子，并且每束交叉都会发生数十次质子-质子碰撞。对撞机中产生的粒子倾向于随机方向离开，因为这些碰撞发生在相对于检测器的动量中心框架中。

　　无论如何，对我们构成最大“危险”的是我们得到的每粒子碰撞能量最高的东西。在地球上，该记录由大型强子对撞机保持，其中绝大多数质子碰撞实际上会导致每个质子内的胶子碰撞。当它们碰撞在一起时，由于质子的总能量在其组成粒子之间分配，总能量中只有一小部分属于每个胶子，因此需要进行大量碰撞才能找到其中大部分能量的碰撞——比如说， 50% 或更多属于相关的碰撞胶子。

　　然而，当这种情况发生时，就是最多的能量可用于创建新粒子（通过E = mc 2）或执行能量可以执行的其他操作。在物理学中，我们测量能量的一种方法是根据电子伏特 (eV)，或者将静止的电子提升到相对于其周围环境的一伏特电势所需的能量。在大型强子对撞机（目前地球上实验室能量的记录保持者）中，最高能量的粒子-粒子碰撞可能是 14 TeV，即 14,000,000,000,000 eV。

　　（图片来源：欧盟的 Communicate Science）

　　虽然没有光可以从黑洞的事件视界内部逃逸，但黑洞外部的弯曲空间导致事件视界附近不同点的真空状态之间存在差异，从而导致通过量子过程发射辐射。这就是霍金辐射的来源，对于迄今为止发现的质量最低的黑洞，霍金辐射将导致它们在 ~10^68 年内完全衰变。由于这个确切的过程，即使是最大质量的黑洞，也不可能存活超过 10^103 年左右。

　　我们担心在这些最高能量下会发生一些事情，每件事都会对地球甚至整个宇宙产生潜在的影响。包括：

　　如果我们达到足够高的能量并且存在某些类型的额外维度，则可能会产生微小的黑洞。从理论上讲，它们应该在极短的时间尺度上通过霍金辐射衰变：比没有额外维度的普朗克时间短，但可能足够长，足以让它们在物理上与它们共存。

　　如果物质-反物质的不对称性是由于某种宇宙对称性在更高能量下的破缺而产生的，那么恢复对称性可能会导致该对称性以不同的方式再次破缺。与其让物质在十亿分之一的水平上“胜过”反物质，不如说它可能会输，或者输赢的数量完全不同。

　　如果大爆炸之前发生的宇宙膨胀是因为满足了某些高能条件，那么重新创造这些条件可能会导致膨胀状态的恢复。这将导致空间在任何地方发生快速的指数膨胀，将我们的宇宙“推”离它并导致新的膨胀状态。

　　或者，鉴于空旷空间的零点能量似乎不为零——正如暗能量的存在所证明的那样——有可能将宇宙提升到足够高的能量可以将空旷空间的能量“踢出”这种状态，并可能将其送入另一种能量较低的状态。这将产生与真空衰变灾难相同的条件，这将产生一个“破坏气泡”，摧毁其中所有以光速向外膨胀的物质。

　　（图片来源： Stannered /Wikimedia Commons）

　　虚假真空中的标量场 φ。请注意，能量 E 高于真真空或基态中的能量，但有一个障碍阻止场经典地滚落到真真空。还要注意最低能量（真正的真空）状态如何被允许具有有限的、正的、非零的值。许多量子系统的零点能量已知大于零。

　　尽管这些场景在某种意义上都是“糟糕的”，但有些情况比其他情况更糟。一个微小黑洞的产生会导致它立即衰变。如果你不希望它衰变，你就必须强加某种新的对称性（对此既没有证据也没有动机）来防止它衰变，即使那样，你也只会有一个微小质量的黑色空穴的行为类似于一个新的、大质量的、不带电的粒子。它能做的“最坏”的事情就是开始吸收与之碰撞的物质粒子，然后“沉没”到它所属的任何引力物体的中心。即使你在地球上制造它，也需要数万亿年才能吸收足够的物质以增加到 1 公斤的质量；换句话说微型黑洞根本没有威胁。

　　在宇宙的物质-反物质对称性出现之前恢复任何对称性也很有趣，因为它可能导致物质的破坏和反物质的产生。众所周知，物质和反物质在接触时会湮灭，这对任何存在于该点附近的物质来说都是“坏消息”。然而，幸运的是，任何粒子-粒子碰撞的绝对能量都是微小的，对应于质量的微克的微小部分。即使我们从这样的碰撞中产生了净数量的反物质，它也只能破坏少量物质，而宇宙总体上还是很好的。

　　（图片来源：E. Siegel /Beyond the Galaxy）

　　当宇宙膨胀发生时，空间固有的能量很大，就像在这座山顶上一样。当球滚入山谷时，能量转化为粒子。这提供了一种机制，不仅可以建立热大爆炸，还可以解决与之相关的问题并做出新的预测。

　　但是，如果我们能够重现通货膨胀发生的条件，情况会更糟。如果它发生在太空中的某个地方，我们将在短短几分之一秒内创造出我们能想象到的最大的宇宙空洞。而今天，真空结构中只有极少量的固有能量，大约是每立方米几个质子的静止质量能量，在膨胀期间，它更像是一个 googol 质子（10 ^100 ) 每立方米。

　　如果我们能够在太空的任何地方实现相同的能量密度，它们就有可能恢复暴胀状态，而这将导致与 138 亿多年前发生的相同的宇宙清空指数膨胀。它不会摧毁我们宇宙中的任何东西，但会导致那些条件再次发生的区域的空间呈指数级、快速、无情地膨胀。

　　这种膨胀会在所有三个维度上向外“推动”我们的宇宙所占据的空间，因为它会膨胀，从而产生一个巨大的宇宙空泡，这将导致发生此类事件的明确无误的签名。显然还没有，至少现在还没有，但理论上，这是可能的。

　　（图片来源：Derek Leinweber ）

　　量子场论计算的可视化显示了量子真空中的虚粒子。（特别是对于强相互作用。）即使在空旷的空间中，这种真空能量也不为零，并且在弯曲空间的一个区域中看似“基态”的东西与观察者的视角不同曲率不同。只要量子场存在，这种真空能量（或宇宙学常数）也必须存在。

　　最后，今天的宇宙存在于量子真空——真空的零点能量——不为零的状态。这是密不可分的，尽管我们不知道如何执行作为其基础的计算，但它与支配我们宇宙的基本物理场、耦合和相互作用：自然物理定律有关。在某种程度上，那些无法从空间本身中解脱出来的场中的量子涨落，包括控制所有基本力的场，决定了真空本身的能量是什么。

　　但这可能不是量子真空的唯一配置；可能存在其他能量状态。它们是高还是低并不重要；无论我们的真空状态是最低可能状态（即“真正的”真空）还是另一个更低的真空状态都没有关系。重要的是是否存在宇宙可能存在的任何其他最小值——任何其他稳定配置。如果存在，那么达到足够高的能量可以将特定空间区域的真空状态“踢”成不同的配置，然后我们至少有以下之一：

　　不同的物理定律，

　　一组不同的量子相互作用，或

　　一组不同的基本常数。

　　任何这些，如果它是一种比我们宇宙目前所处的更稳定的结构，就会导致新的真空状态以光速膨胀，破坏其路径中的所有束缚态，直至原子核本身. 随着时间的推移，这场灾难将摧毁价值数十亿光年的宇宙结构；如果它发生在距地球约 180 亿光年的范围内，那最终也将包括我们。

　　（图片来源：维基共享资源的 Andrew Z. Colvin和 Frederic Michel；注释：E. Siegel）

　　我们可见宇宙的大小（黄色），以及如果我们今天以光速离开，我们可以到达的范围（洋红色）。可见宇宙的极限是 461 亿光年，因为这是发射光的物体在远离我们 138 亿年之后的距离的极限。现在，在我们 180 亿光年半径范围内发生的任何事情最终都会到达并影响我们；超出这一点的任何事情都不会。每年，又有约 2000 万颗恒星跨过从可及到不可及的门槛。

　　这些事件存在巨大的不确定性。量子黑洞可能就在我们目前的能量前沿之外。物质-反物质不对称性可能仅在电弱对称性破缺期间产生，可能将其置于当前对撞机的作用范围内。暴胀一定是在比我们所达到的更高的能量下发生的，决定量子真空的过程也是如此，但我们不知道这些能量可能有多低。我们只从观察中知道，在我们可观察的宇宙中还没有发生这样的事件。

　　但是，尽管如此，我们不必担心我们的任何粒子加速器——过去的、现在的，甚至是遥远的未来——会在地球上造成任何这些灾难。原因很简单：宇宙本身充满了天然粒子加速器，它们比我们在地球上建造或什至提议的任何东西都要强大得多。白矮星、中子星和黑洞等快速旋转的坍缩恒星物体，在极端条件下，带电的运动物质会产生非常强的电场和磁场。人们怀疑这些是我们所见过的最高能量粒子的来源：超高能宇宙射线，据观察其能量比地球上任何加速器高出数百万倍。

　　（图片来源：M. Tanabashi等人（粒子数据组），Phys. Rev. D，2019 年）

　　最高能量宇宙射线的能谱，由检测到它们的合作提供。从实验到实验的结果都非常一致，并且在 ~5 x 10^19 eV 的 GZK 阈值处显着下降。尽管如此，许多这样的宇宙射线仍然超过了这个能量阈值，这表明要么这张图片不完整，要么许多最高能量的粒子是更重的原子核，而不是单个质子。

　　虽然我们已经超过了地球上加速器的 10 TeV 阈值，或者科学记数法中的 10 ^13 eV，但宇宙通常会产生超过 10 ^20 eV 阈值的宇宙射线，该记录在 30 多年前由一个被恰当地称为Oh-My-God 粒子的事件。尽管能量最高的宇宙射线被认为是重原子核，如铁，而不是单个质子，但这仍然意味着当它们中的两个相互碰撞时——考虑到宇宙的浩瀚，这在我们的宇宙中几乎是肯定的，事实上，星系在过去靠得更近，而且宇宙的寿命很长——有许多事件产生超过 10^ 18的质心碰撞能量甚至 10 ^19 eV。

　　它们都没有恢复通胀潜力。

　　它们都没有使宇宙过渡到更稳定的真空状态。

　　而且他们中没有一个以一直持续到今天的方式改变物理定律或常数。

　　这告诉我们，我们可能担心的任何灾难性宇宙效应都已经受到迄今为止宇宙历史上发生的物理学的严格限制。

　　（图片来源：Nicolle Rager Fuller/NSF/IceCube）

　　当进入的粒子撞击原子核时，它会导致产生自由电荷和/或光子，这会在目标周围的光电倍增管中产生可见信号。XENON 探测器惊人地利用了这一想法，使其成为世界上最灵敏的粒子探测实验。

　　我们可以想象的宇宙灾难都没有发生，这意味着两件事。第一件事是我们可以对某些不同的宇宙转变发生的地方设置可能的下限。暴胀状态在我们宇宙的任何地方都不可能恢复，这给暴胀的能量等级设定了一个下限，不低于 ~10 19 eV。这可能比我们预期的宇宙膨胀低 100,000 倍。它还告诉我们，很难将宇宙的零点能量“踢”到不同的配置中，这让我们对量子真空的稳定性充满信心。这也意味着我们可以对自己的安全充满信心地继续探索宇宙。

　　基于宇宙已经显示出的“安全”程度，我们可以自信地得出结论，在我们可观察的宇宙中已经发生的能量和碰撞总阈值之前，不会发生这样的灾难。只有当我们开始以大约 10 · 20 eV 或更高的能量碰撞粒子时——比目前的能量边界高 1000 万倍时我们才需要开始担心此类事件。但这将需要一个比整个地球大得多的加速器，因此，我们可以得出文章标题中承诺的结论：地球上的粒子物理学或者说强子对撞机永远不会毁灭地球。

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