编者按：这恐怕是2008年全球范围内最受关注的科研项目。它耗时近20年，耗资60亿美元，有80余个国家和地区的7000名科研人员参与。它的目标之一是寻找传说中的“上帝粒子”――如果找到，将证明粒子物理的标准模型是正确的；如果是相反的结果，也并非没有意义。这就是大型强子对撞机（LHC）计
划。
北京时间2008年9月10日15：30，LHC计划启动。这不但令全球的物理学家兴奋不已，也激起了公众的好奇心。一些人则因LHC计划感到恐惧――据说，LHC将制造能量巨大的粒子碰撞，产生危险粒子或者微型黑洞，从而毁灭整个世界。9月10日这天，太多人的签名变成了“迎接世界末日”；一些相关的科学家收到了死亡威胁……
LHC计划究竟是一个什么样的科学项目？它会导致一场灾难吗？在此，我们特约请浙江工业大学物理系教授吴忠超先生撰文解释其详，希望读者能从其科学性很强的文字中读出趣味。
LHC局部
2008年9月10日，位于日内瓦的CERN（欧洲核研究组织）启动了LHC（大型强子对撞机），全球科学界高度关注这一事件。LHC要将诸如质子等亚原子粒子加速到光速的99.999999%，两束这样的粒子流相互对撞，能模拟在宇宙大爆炸后的极早期的条件。
理论和实验物理学家对LHC寄予极高的期望：
（1）人们希望找到希格斯（Higgs）粒子，这是粒子物理标准模型中仅有的未被观测到的粒子，其外号“上帝粒子”起源于列德曼的一本科普书的书名。在萨拉姆-温伯格的弱电统一模型中，正是希格斯场赋予携带弱作用的中间玻色子以质量，使该作用变成短程的。
（2）检视形形色色包含电磁作用、弱作用和强作用的大统一理论。
（3）破解等级问题，为何引力作用比其他作用要微弱得多。
（4）自然界中是否存在超对称，是否存在已知粒子的超伴侣，它们能构成宇宙中的暗物质吗？现在我们知道，宇宙中的暗物质占宇宙成分的22%，暗物质究竟是什么？
（5）近十年来观测宇宙学家发现我们的宇宙正在加速膨胀，并将其归因于暗能量，但是对暗能量是什么，我们还茫然无知。
（6）宇宙时空还有像超引力和弦论预言的额外维度吗？我们是否生活在高维空间中的一张三维的膜上？存在平行世界吗？存在多重宇宙吗？
（7）LHC能够制造黑洞吗？等等。本文主要涉及LHC和黑洞的问题。黑洞是一个区域，那里的引力强大到把任何东西，甚至光线都拉拽回去，因此黑洞是不可能被看到的，但是人们仍然可以由感受其引力而得知其存在。任何物体一旦越过被称为视界的黑洞边界，就永远不可能逃离，而被它吞噬。
当质量比太阳质量大得多的恒星的燃料耗尽后，通常会发生超新星爆发，其残余物的质量如果比太阳质量的2.1倍还大，就会向自身坍缩而形成黑洞。在许多星系的中心存在巨大的黑洞，例如银河系中心的黑洞的质量是太阳质量的几百万倍。星体的引力坍缩是产生黑洞的第一种方法。
在宇宙的早期，由于物质密度和压强的涨落，也会形成黑洞，这种黑洞称为太初黑洞。这是产生黑洞的第二种方法。
霍金的无边界宇宙学说认为宇宙是无中生有的，真正的太初黑洞是和宇宙同步诞生的。这是产生黑洞的第三种方法。
人们通常认为没有任何东西可以从黑洞逃离，黑洞的视界像是地狱的入口，进入这地狱的人永远不可能超生。但是霍金在1974年又提出，在黑洞视界附近的时空和物质场的量子涨落，会使黑洞慢慢向外界泄漏粒子，其泄漏方式和热体辐射类似。在最简单的史瓦西黑洞情形，辐射温度和质量成反比，即随着黑洞辐射，质量不断降低，温度不断升高，黑洞最后以爆炸而终结。
霍金辐射的发现是引力物理在爱因斯坦之后的最伟大成果。在这个场景中，引力物理、量子物理和热物理得到了统一。
可惜的是，对于以第一种方式产生的黑洞，其温度实在太低了，以至于其辐射被完全淹没在宇宙微波辐射背景(2.7度绝对温度)之中。而由第二种或第三种方式产生的黑洞，又因为质量太小，早已被蒸发掉了。所以霍金辐射迄今还未能得到验证，尽管这个理论早已广被科学界主流接受。
在黑洞形成过程中，除了质量、电荷和角动量外，其他信息都被丢失，这就是黑洞的无毛定理。黑洞若永久存在，人们可认为这些信息被锁在视界内。倘若黑洞被蒸发掉，而纯热辐射又不带走任何信息，那么这些信息就被丢失了。大多数相对论家都接受霍金的这个结论，而粒子物理学家则反对之。后来，从弦理论计算，人们得到了信息保存下来的结论。2004年，霍金本人突然改变想法，但其他一些相对论家仍然持信息丢失的观点，所以信息是否丢失，是否被霍金辐射携带出来，人们争议了30多年的这个问题仍然是尘埃未定。
按照弦论和超引力，宇宙的时空也许是十维或十一维的。在超引力宇宙学中可以证明我们观察到的时空是四维的。而在膜宇宙学中，我们也许是生活在三维的膜上，在这个场景中可望解决长期存在的所谓的等级问题，即弱电作用的能量标度1012电子伏为何与引力作用的能量标度普朗克能量1027电子伏有这么大的差别。在膜宇宙学中，引力在额外维空间中被稀释，而其他作用却被限制在膜上。只要额外维的“弯曲体积”足够大，就可以使十维或十一维时空中的普朗克能量和1012电子伏相当，而比四维时空的表观的普朗克能量1027电子伏小得多。
在传统的四维时空中，黑洞质量必须大于普朗克能量1027电子伏，由于质量更小的黑洞的尺度比时空的泡沫的尺度还小，在那个尺度下物理定律、时空和因果律都不清楚。
在膜世界场景中，最小的黑洞质量数量级为1012电子伏，而LHC可使一对粒子能量达到14×1012电子伏。严格地讲，LHC中对撞的粒子是构成质子中的夸克、胶子。
1974年，彭罗斯在一篇未发表的论文中指出，一对总能量为E的粒子迎头对撞可产生质量至少为E/的黑洞。索恩猜测，粒子不能迎头对撞时，只要其瞄准参数小于这么大能量的黑洞半径，就仍能形成黑洞。人们预料，在高维下情形也很类似。因此，许多科学家认为，LHC可以产生人造黑洞。
据估算，如果产生的黑洞的最小质量为5×1012电子伏，则LHC每秒产生一个，如果最小质量为1013电子伏，则每天产生三个。所以LHC可以称作黑洞的工厂。这是产生黑洞的第四种方法。
黑洞的形成以出现视界为标志。视界一出现，黑洞就设法将身上的“毛发”脱掉，暂且稳定的黑洞只由电荷、角动量和质量来表征。这时霍金辐射崭露头角。非迎头对撞产生的黑洞还具有角动量，第一阶段的辐射首先使黑洞自转迟缓下来，黑洞就趋向于不转动的史瓦西黑洞，霍金辐射一直延续到黑洞只余下1012电子伏质量，此后黑洞的命运如何无法预言，得由尚未发现的量子引力来制约，这也是人们希望能从LHC实验中知道的东西。
在黑洞的霍金辐射中，轻子、夸克和胶子等等所有粒子的发射率都会遵从霍金的计算。在黑洞不旋转时，辐射大体是球对称的。这和LHC的其他对撞场景都大相径庭。
LHC产生的黑洞从形成到衰变经历的时间极为短暂，所以不会构成危险。其实宇宙线打到外大气层时碰撞的质心能量可达到4×1014电子伏。粗略估计，整个地球表面上每天大量产生这样的黑洞，这虽然观察不到，但也未危及我们的安全。因为这些黑洞很快就被蒸发光了。
总而言之，只有从这些用第四种方法产生的黑洞才能验证霍金辐射。
如果在LHC上真的观测到霍金辐射，则不仅是黑洞物理，也是膜宇宙学的伟大成功。这将极大地支持了宇宙时空存在额外维的预言。因为弦论迄今还未找到一个实验观测支持，所以这对弦论是极其重要的。
霍金辐射的证实无疑会使霍金得到诺贝尔物理学奖。但他认为，LHC能得到产生黑洞的能量的概率不到1%。出于科学家的谨慎，这是完全可以理解的，弦论和膜宇宙学毕竟是高度猜测性的。
可以想见，无论LHC实验的结果如何，必将开启物理学的新纪元！
