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大型强子对撞机是人类迄今所建能量最高的对撞机，但浩瀚的宇宙却有各种办法产生比那高得多的能量。观测表明，我们所栖居的地球每秒钟都会受到10万次以上的超高能宇宙射线的轰击，那些宇宙射线与地球物质发生碰撞时所具有的能量比大型强子对撞机的能量更高[7]，而且那样的轰击自地球诞生以来，在长达45亿年的时间里从未间断过，相当于每时每刻都有大型强子对撞机在运行。如果大型强子对撞机果真有产生微型黑洞并毁灭地球的风险，无论其理论机制是什么，那样的风险都早该被宇宙射线转化为现实了。我们今天仍能坐在地球上争论这一问题本身，就很好地说明了那样的风险并不存在。事实上，如果我们把眼光放得更远一点，那么不仅地球每时每刻都受到大量超高能宇宙射线的轰击，表面积是地球一万多倍的太阳更是一个大得多的靶子，如果那样的轰击有危险的话，像太阳那样的庞然大物无疑会比地球死得更快。因此，包括太阳在内所有恒星的存在全都是极强的证据，表明大型强子对撞机因产生微型黑洞而毁灭地球的风险是完全可以排除的[8]。
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事实上，大型强子对撞机若果真能产生微型黑洞的话，那不但不是什么风险，反而是了不起的实验成就，因为那不仅是对某些现代物理理论的绝佳检验，而且还是研究霍金辐射的最好、甚至有可能是唯一的直接手段。
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2010年11月24日写于纽约
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[1]本文曾以《有关黑洞的前世今生》为题发表于《中学生天地》2011年2月刊（浙江教育报刊社出版）。
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[2]更准确的说法是周长不到18.6千米（3千米×2π），因为那才是具有观测意义的量。但为行文方便起见，我们仍将使用“半径”这一术语，只不过它的真正含义是周长除以2π，而非径向距离。
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[3]现代意义下的黑洞（施瓦西黑洞只是其中最简单的一种）与米歇尔和拉普拉斯的“暗星”很不相同，比如后者只是远方的观测者无法看到（由于作为微粒的光在“暗星”引力场中仍可运动一段距离，因此近处的观测者仍可看到），而前者则对于任何外部观测者都是“黑”的。
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[4]爱因斯坦计算了黑洞附近圆轨道上的粒子运动速度，结果发现轨道半径小于黑洞临界半径的1.5倍时，粒子运动速度会超过光速。他据此认为黑洞是不可能存在的。这一意见的幼稚之处在于，那计算无非说明在黑洞近旁粒子不可能维持圆轨道（除非有外力），而并不表示黑洞无法存在。这就好比在一个大漩涡里游泳者无法维持圆轨道，并不表示大漩涡不可能存在。
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[5]有人提出过比中子星更致密的所谓“夸克星”（quark star）。不过“夸克星”即便存在，其密度也只会比中子星略大（如果说中子星像一个巨型原子核，那么夸克星就像一个巨型核子）。“夸克星”是否存在目前尚有争议，不过理论研究显示，无论它存在与否，都不太可能显著改变耗尽核聚变能量后大质量天体坍缩为黑洞的临界值。
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[6]不过，由于对中子星最大可能质量的计算以及对“最年轻黑洞”的质量估算都有一定的误差，因此该天体究竟是黑洞还是中子星目前尚有一定的争议，只能说它有较大的可能性是黑洞。
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[7]这个能量是指质心系能量。
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[8]严格讲，由高能宇宙射线产生的微型黑洞——如果有的话——与大型强子对撞机产生的微型黑洞有一个区别，那就是前者是高速运动的，从而会很快穿过地球。但研究表明，即便如此，假如那样的微型黑洞能够被产生，并且有毁灭星球的威力的话，宇宙中那些高度致密且具有强引力场的天体——比如白矮星和中子星——仍会因为俘获那样的黑洞而迅速灭亡，这同样与观测明显不符。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦
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绘画：张京
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 反物质浅谈
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一、一个令人苦恼的结果
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众所周知，科幻小说作为一种特殊形式的小说，常从现代科学的发展中吸取新概念，反物质就是常被吸收的新概念之一。20世纪40年代，美国科幻小说家威廉森（Jack Williamson）创作了一系列以反物质为题材的小说，称为C.T.故事，其中“C.T.”是他为反物质所拟的名称——“Contra-Terrene”——的缩写。威廉森的C.T.故事问世后不久，另一位美国科幻小说家阿西莫夫（Isaac Asimov）也在自己脍炙人口的机器人故事中引进了反物质的概念，他所设想的机器人大脑是所谓的“正电子脑”（positronic brain），而正电子乃是电子的反粒子，是反物质的基本组元之一。20世纪60年代，著名科幻电视连续剧《星际迷航》（Stat Trek）开始播出，在这部连续创作和播出约40年之久、拥有不止一代忠实粉丝的电视连续剧中，反物质是星际飞船的重要燃料。这一点如今已几乎成为了所有以星际旅行为题材的科幻小说的共同特点。反物质概念在科幻小说中的频频出现，使公众对这一概念也产生了浓厚兴趣。
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那么，反物质这一概念是何时，以何种方式被提出的？人们又是如何发现反物质的？反物质究竟是不是一种有效的星际飞船燃料？我们的宇宙中到底是物质多呢还是反物质多？这些或许是很多人不甚了解却不无兴趣的问题。本文将对这些问题作一些介绍。
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反物质这一概念在学术界的出现最早可以追溯到19世纪末。1898年，英国物理学家舒斯特（Arthur Schuster）在给《自然》（Nature）杂志的一封信中提到，既然电荷可以有负的，金子说不定也可以有负的，而且负金子说不定和我们熟悉的金子有着一样的颜色。这或许是有关反物质的想法在科学文献中的萌芽。不过舒斯特有关反物质的想法只是一种简单而模糊的思辨，没有真正的理论依据，因而也没有引起任何重视。反物质概念在物理学上的真正渊源，是从将近30年后的1927年开始的。那一年，量子力学奠基人之一的英国物理学家狄拉克（Paul Dirac）提出了一个描述电子运动的数学方程。
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狄拉克所提出的这一方程——即所谓的狄拉克方程（Dirac equation）——是一个既具有量子力学特征，又满足狭义相对论要求的方程，在当时是很令人耳目一新的结果[1]。更漂亮的是，这一方程还出人意料地自动包含了一些此前为解释实验结果而不得不人为添加到量子力学中的东西，一些在当时看来绝非显而易见的东西，比如电子的自旋和磁矩。作为一个方程式，狄拉克方程的形式之简洁，内涵之丰富，预言之神奇，似乎达到了物理学家们梦寐以求的境界。
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但这一方程的“野心”似乎还不止于此，它还包含了另外一个重要结果——可惜这回却是一个令人苦恼的结果。
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这个令人苦恼的结果是：狄拉克方程所描述的电子的总能量既可以是正的，也可以是负的。这个结果之所以令人苦恼，是因为人们在自然界中从未发现过总能量为负的电子，因此狄拉克方程似乎允许存在一些自然界中不存在的东西。仅仅这样倒还罢了，因为允许存在的东西可以碰巧不存在，因此大不了假定自然界中所有电子的总能量碰巧都是正的。但不幸的是，按照量子力学，一个理论只要允许总能量为负的状态——即所谓的“负能量状态”，那么哪怕假定自然界中所有的电子的总能量碰巧都是正的，它们也会在很短的时间内通过量子跃迁进入到负能量状态，从而变成总能量为负的电子——也称为“负能量电子”。这种跃迁的结果无疑是灾难性的，与现实世界也大相径庭[2]。