量子黑洞 ——物理学家们很快就可以在实验室创造的黑洞外文翻译资料

量子黑洞

——物理学家们很快就可以在实验室创造的黑洞

原文作者 Bernard J. Carr，Steven B. Giddings. 单位 伦敦大学玛丽皇后学院，加州大学

摘要：从发明粒子加速器起近80年时间里,物理学家们已经用它们做了些很奇妙的工作,如分裂原子、改变元素、制造反物质以及制造以前从未在自然界中观测到的粒子.不过,幸运的话不久他们就可以迎接一项新的挑战,这将使以前的成果黯然失色.这些加速器也许会制造出宇宙中最为神秘的物体:黑洞。

关键词：粒子加速器； 量子效应； 3；黑洞蒸发

当一个人谈到黑洞时，他往往会想到一个能吞噬吞航天飞船，甚至整个恒星的巨大怪物。而那些可能由最高能量加速器（也许早在2007中，那时日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所（CERN）的大型强子对撞机（LHC）开始启用）制造出的黑洞，是这些天体物理学中庞然大物的远亲。它们将是微观的，大小与基本粒子可比。它们不会撕裂恒星，支配众星系或者对我们地球造成威胁。但在某些方面，这些黑洞的性质应该更加引人注目。由于量子效应，在它们形成不久后立即消失，使粒子探测器使得粒子探测器像圣诞树一样闪光。这种做法可以提供一些线索来揭示时空是如何编织起来的，以及是否有看不见的更高维度。

现代黑洞概念出现于爱因斯坦的广义相对论，如果物质被充分压缩，它的引力会变得足够强，以至于会在空间开辟出一片区域，任何物质都无法从中逃出。这个区域的边界是黑洞的事件视界：物体可以落入其中，但不可以从中逃出来。在空间没有隐藏的维度或是哪些维度比黑洞小的这种最简单的情况下，它的大小与其质量成正比。若把太阳压缩到半径三公里，约目前规模的四百万分之一，它将会变成一个黑洞。地球要变成黑洞，你需要把它挤压成一个半径为九毫米，约目前的十亿分之一。

因此，要产生的黑洞越小，需要压缩的程度就越高。物质必须被挤压到的密度反比于质量的平方。与太阳等质量的黑洞，密度是每立方米约10^19公斤，比原子核的密度更大。这样的密度是可以通过在现在的宇宙引力坍缩形成的最高的密度了。比太阳轻的物体能够抵抗塌缩，因为亚原子粒子间的量子斥力使它保持稳定。根据观察，最轻的黑洞候选者大约为六个太阳的质量。

然而，恒星坍塌不是黑洞可能形成的唯一方式。在上世纪70年代早期，史蒂芬霍金的剑桥大学和作者之一CARR研究了早期宇宙中黑洞的产生机制。这些黑洞被称为原初黑洞。随着宇宙的膨胀，物质的平均密度的降低；因此，很久以前的宇宙密度比现在高出许多，特别是在宇宙大爆炸的第一个微秒内，比原子核的密度还要高。已知的物理定律所允许的最高物质密度是所谓的普朗克值为10^97千克每立方米。在这样的密度下，引力变得足够强大，以至于量子涨落会破坏时空的结构。这样的密度已足以形成一个只有10^-35米（一个尺寸称为普朗克长度）与重10^-8公斤（普朗克质量）的黑洞。

按照引力的一般描述，这是可能存在的最轻的黑洞。它与基本粒子相比，它的质量更大，而尺寸更小。在宇宙密度下降的时候，可能会形成越来越重的原初黑洞。任何重量小于10^12千克的黑洞尺寸比质子还小，但超过这个质量后，他们就和和宏观物体一样大。在宇宙密度和原子核密度可比的时期内所产生的黑洞，它们的质量就与太阳可比，因此是宏观的。

高密度是早期宇宙的形成原初黑洞的先决条件，但不能保证原初黑洞能形成。一个区域要停止膨胀然并塌缩成黑洞，它的密度必须比平均密度高，所以密度不均匀也是必要的。天文学家知道这种密度不均匀至少在大尺度上是存在的，否则就不会形成星系和星系团这样的结构。要形成原初黑洞，这些不均匀必须在小尺度上比在大尺度上更强的，这是有可能的，但不一定必然发生。即使没有这种涨落，黑洞也能在各种宇宙学相变阶段自发形成——例如，在宇宙结束其早期加速膨胀的阶段（称为暴胀），或在原子核密度时期，当像质子这样的粒子从构成它们的夸克汤中凝结出来时，黑洞也会自发形成。事实上并没有太多物质葬送在原初黑洞中。宇宙学家根据这一点，给早期宇宙模型加上重要的制约条件。

意识到黑洞可能很小，促使霍金辐思考量子效应可能会产生的影响，在1974他得出他的著名结论：黑洞并非只是吞噬粒子也向外发射出粒子。霍金预言黑洞会像炽热的煤碳一样发出热辐射，它的温度和质量成反比。一个太阳质量的黑洞，温度大约为百万分之一开尔文，这在当今的宇宙是完全可以忽略不计。但对于一个10^12公斤的黑洞，这大约是是一座山的质量，它的温度是10^12开尔文——热到足以发出无质量的粒子，如光子，和大量的有质量的粒子，如电子和正电子。

由于辐射会带走能量，黑洞的质量趋于减小。因此黑洞是非常不稳定的。在它收缩过程中，它变得越来越热，射出高能粒子和收缩的速度越来越快。当黑洞收缩到约10^6公斤的质量，黑洞寿命就结束了：在一秒之内，它会爆炸释放百万兆吨级核弹爆炸的能量。一个黑洞蒸发掉的总时间与其初始质量的三次方成正比。一个太阳质量的黑洞，寿命长达10^64年，是难以观测的。对于一个10^12公斤重的黑洞，它的寿命是10^10年——现在宇宙的年龄。因此，任何这种质量的原初黑洞正处在蒸发完毕、爆炸的阶段。任何更小的黑洞在宇宙更早的时期就蒸发完毕了。霍金的工作是观念上的一大进展，因为它联接了与以前三个完全不同的物理领域：广义相对论，量子理论和热力学。它还是朝向一个完整的量子引力理论的迈出的一步。即使实际上没有形成过原初黑洞，对于它们的思考也引发了许多非凡的物理学见解。所以有时候即使研究的事物是不存在，它也是有意义的。

特别是，这个发现揭示出了一个深刻的矛盾，针对为什么广义相对论和量子力学是很难调和。根据相对论，信息落入黑洞就是永远的失去了。如果黑洞蒸发了，那其内包含的信息会发生什么？霍金认为，黑洞完全蒸发，同时就毁掉了那些信息，这违反了量子力学的基本原理。信息的破坏与不符合能量守恒定律，这使得令人难以信服。

黑洞蒸发留下遗迹这种解释，同样是令人不快的。这些残余物想要对落入黑洞的所有信息进行编码，那它们必将有无穷多的种类。物理定律的预言粒子的产生率的与粒子类型的数目成正比。因此，黑洞遗迹将以无穷的速率产生,即使像开启微波炉这样一个日常物理过程也会产生它们。世界将会呈现出可怕的不稳定状态。嗨哟一种可能就是定域性的失效。定域性的概念是说，处于空间上相互分离点上的事件，只有光传播于其间所花的时间之后，才能发生相互影响。这个难题是对当今理论工作者的一大挑战。

物理学的发展往往需要实验的指引，于是有微黑洞所引起的问题促使人们在实验中寻找它们。一种可能的情况是，天文学家会探测到当今宇宙中爆发的初始质量为kg的原初黑洞。这些黑洞的大部分质量将转变成gamma;射线。1976年，霍金和当时在加州理工大学的Don Page意识到，gamma;射线的背景观测可能给这种黑洞的数量设置了严格的上限。例如，它们不能组成相当数量的宇宙暗物质，并且它们的爆发离我们很远，不易被探测到。然而在1990年代中期，加州大学洛杉矶分校的David Cline 教授和他的同事们提出，最短暂的gamma;射线暴也可能是原初黑洞爆炸形成的。虽然较长的gamma;射线暴被认为是与恒星的爆炸或合并有关，但短时间的爆发可能有其他的解释。进一步的观测因该会解决这个问题，但是天文观测能够探测到黑洞蒸发的最后发展阶段的可能性，却是可望不可即。

用粒子加速器制造黑洞，这是一种令人兴奋的可能。谈到产生高密度，没有什么仪器能比得上大型强子对撞机（LHC）或是芝加哥附近费米国家加速器实验室里的万亿电子伏加速器。这些仪器可以加速亚原子粒子，如质子，使它们的速度极其接近光速。于是这些粒子就有了巨大的动能。在大型强子对撞机上，一个质子可以被加速到大约七万亿电子伏特的能量。根据爱因斯坦著名的关系式：，这个能量相当于kg的质量或是质子静止时质量的7000倍。当两个这样的粒子在近距离内碰撞时，它们的能量将集中与空间里一个很小的区域内。于是有人也许会猜想：时不时地就会有碰撞的粒子变得足够接近，而产生一个黑洞。

尽管这种观点是成立的，但它也是有一个问题：kg的质量远小于kg的普朗克质量。普朗克质量是传统引力理论认为可以形成的最小黑洞的质量。这个下限源于量子力学的测不准原理。因为有时粒子的行为也会像波一样，弥散在一定的距离内，而这个距离是随能量的增大而减小的。

外文文献出处：Scientific American.2005,5

附外文文献原文

Quantum Black Holes

Bernard J. Carr, Steven B. Giddings

（University of London,University of California）

Abstract

Ever since physicists invented particle accelerators, nearly 80 years ago, they have used them for such exotic tasks as splitting atoms, transmuting elements, producing antimatter and creating particles not previously observed in nature. With luck, though, they could soon undertake a challenge that will make those achievements seem almost pedestrian. Accelerators may produce the most profoundly mysterious objects in the universe: black holes.

key：Particle accelerator； Quantum effect； 3；Back hole evaporation

When one thinks of black holes, one usually envisions massive monsters that can swallow spaceships, or even stars, whole. But the holes that might be produced at the highest-energy accelerators--perhaps as early as mid-2008, when the Large Hadron Collider (LHC) at CERN near Geneva starts running at full design energy--are distant cousins of such astrophysical behemoths. They would be microscopic, comparable in size to elementary particles. They would not rip apart stars, reign over galaxies or pose a threat to our planet, but in some respects their properties should be even more dramatic. Because of quantum effects, they would evaporate shortly after they formed, lighting up the particle detectors like Christmas trees. In so doing, they could give clues about how space-time is woven together and whether it has unseen higher dimensions.

A Tight Squeeze

IN ITS MODERN FORM, the concept of black holes emerges from Einsteins general theory of relativity, which predicts that if matter is sufficiently compressed, its gravity becomes so strong that it carves out a region of space from which nothing can escape. The boundary of the region is the black holes event horizon: objects can fall in, but none can come out. In the simplest case, where space has no hidden dimensions or those dimensions are smaller than the hole, its size is directly proportional to its mass. If you compressed the sun to a radius of three

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