粒子對撞可以形成黑洞
新型模擬的快照表明，兩個對撞的粒子實際上可以產生黑洞（見最後一個方塊中的黑圈）。
粒子對撞可以形成黑洞
胡德良譯
你可能聽說過這場爭論：粒子物理學家們預測，世界上最高能量的新型核粒子加速器——位於瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機（LHC），可能會創造出微型黑洞，他們稱這將是一個奇妙的發現；一些災難預言者擔心，這些黑洞可能會吞沒地球，儘管物理學家們說這是不可能的，但他們還是請求聯合國停止這個55億美元的LHC項目。然而說來也怪，從來沒有人證明過，流行的引力論——愛因斯坦的廣義相對論，實際上預測了黑洞是可以通過對撞而產生的。現在，一次計算機模擬首次確切地證明，利用粒子對撞可以製造出黑洞。
「如果模擬結果不是這樣，我會感到吃驚的，」伊利諾斯州巴塔維亞市費米國家加速器實驗室的物理學家約瑟夫·萊肯（JosephLykken）說，「但是，要讓那些知道黑洞形成過程的人們仔細看看該模擬，這是很重要的。」
形成黑洞的關鍵是在足夠小的體積內塞進足夠多的質量或能量，就象巨型恆星塌縮時所發生的情況。根據愛因斯坦的廣義相對論，質量和能量可以使空間和時間（時空）發生扭曲，產生了我們所感覺到的引力效應。如果足夠大的質量或足夠高的能量塞進足夠小的空間中，那麼這種扭曲就會變得極為嚴重，以至於任何事物——甚至連光都無法逃脫。這樣該物體就變成了黑洞。恰恰是利用這種辦法，兩個粒子可以形成一個微型黑洞，條件是以超出基本限度的能量進行對撞，這個能量限度被稱為普朗克能量（Planckenergy）。
也許物理學家們這麼猜測過。加拿大溫哥華市英屬哥倫比亞大學的馬修·肖普提克（MatthewChoptuik）說，研究人員根據所謂的「環繞猜測（hoop conjecture）」得出了上述預言。環繞猜測是一個基本法則，它說明了一個特定質量的物體被壓縮到何種程度才會形成黑洞。肖普提克指出，20世紀70年代的一次計算也表明，粒子碰撞可以形成黑洞，但是當時的模擬把粒子本身當作黑洞，因此可能會由於曲解而無法得到預期的結果。
現在，肖普提克和普林斯頓大學的弗朗斯·普雷托里斯（FransPretorius）模擬了這樣的對撞，同時利用了廣義相對論中全部特別複雜的數學資料。為了使模擬簡便和具有普遍性，他們將兩個粒子模擬成被稱為玻色星體的假設物體，類似於把恆星做成流質球體的那種模型。肖普提克和普雷托里斯運用了幾百台計算機，計算了兩個對撞粒子之間的引力作用。他們發現，如果兩個粒子對撞的總能量為普朗克能量的大約三分之一，確實可以形成一個黑洞，這個能量比環繞猜測中所預測的稍微低一點。他們在《物理評論快報》（PhysicalReview Letters）雜誌紙質版的一篇論文中報道了該發現。
這是否意味著LHC將會製造出黑洞呢？肖普提克說，不一定。普朗克能量比LHC可以達到的最高能量還要高出1×1018倍。因此，LHC可能製造出黑洞的唯一方法和條件是：空間不是三維的，它實際上擁有更多的維度，這些維度捲曲成極小的環狀，只有在高能粒子對撞中才可以探測到。根據某些理論的預測，這些額外維空間可能會由於一個異常的因素而有效地降低普朗克能量。「如果確實在這個加速器中探測到了黑洞的形成，我會感到極為驚訝的，」肖普提克說。物理學家們說，這種黑洞會在沒有任何危害的情況下衰變成普通粒子。
「能夠通過計算機模擬做到這些，確實證明了他們的技術高超，」加州大學聖塔芭芭拉分校的引力理論家史蒂夫·吉丁斯（SteveGiddings）說。他說，這樣的模擬對於更加仔細地研究粒子碰撞和黑洞形成是很重要的。的確，如果太空中不存在額外維空間，如果普朗克能量仍然無望達到，模擬或許就是研究這種現象的唯一方法。
譯自：美國《科學》雜誌網站
原著：Adrian Cho
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