高能粒子對撞實驗的安全性

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LHC中粒子碰撞的模擬圖

高能粒子對撞實驗的安全性問題在相對論性重離子對撞機（RHIC）以及大型強子對撞機（LHC）建設和承擔任務期間受到了廣泛關注和議論。公眾擔心用於製造新的粒子和物質形態的高能可能會產生有害的物質狀態甚至導致全球災難危機。在LHC即將投入運行的2008年至2010年間，有關其安全性的爭論更為激烈。其中涉及到的風險包括產生穩定的微型黑洞或是製造出假定存在的奇異夸克團[1]。這些問題受到了傳統媒體、互聯網以至法院的關切。

為了回應對於LHC的擔憂，歐洲核子研究中心（CERN）委託了一批獨立科學家來評估風險。在2003年發表的報告中，他們總結道，目前的粒子實驗，例如RHIC和LHC中的粒子碰撞，不會產生任何威脅。[2]CERN之後又委託了一批隸屬於中心但不參與LHC項目的物理學家做了另一次評估。在2008年發表的報告中，他們基於對於安全性的新的研究結果重申了LHC對撞實驗的安全性。[3][4]這份報告得到了20位CERN外部科學家組成的委員會和美國物理學會粒子和場部執行委員會的審核和認可[5][6]，隨後在受同行評審的刊物《物理學雜誌G（英語：Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics）》中發表。發行這一刊物的英國物理學會也認可報告的結論。[3][7]

報告排除了大型強子對撞機導致全球災難危機的可能性，並表示LHC、RHIC以及其他實驗中的物理情形和碰撞事件在宇宙中自發而定期地發生，而沒有導致有害的後果。[3]比如地球上觀測到的超高能宇宙線（英語：ultra-high-energy cosmic ray）所具有的能量就比人造粒子對撞高得多。

背景

LHC中的緊湊緲子線圈
主條目：粒子對撞機和大型強子對撞機

粒子對撞機（英語：Collider）是物理學家用來研究和理解宇宙基本性質的粒子加速器。對撞機會加速粒子束使其具有非常高的動能，然後讓它們相撞。通過分析粒子對撞的產物，科學家可以了解亞原子世界的結構及其遵從的法則。這些結構和規律只會在高能狀態下短暫顯現，因此很難或者說幾乎不可能通過其他手段研究。

由於實驗過程中會出現極高的能量，公眾十分關心這樣的粒子對撞是否安全以及是否會引起不可預見的問題和後果。在當今世界最大的粒子加速器綜合體LHC建設期間，這個問題更為受到重視。LHC於2008年開始執行任務，具有非常高的動能的質子或鉛核束會在其中對撞。[8][9]LHC由位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）建造。LHC的主要建設目的是為了探究目前粒子物理學的理論圖景標準模型的有效性和限度。LHC在2009年11月啟動後不久即發生了首次粒子碰撞，每束粒子的能量高達1.2 TeV。[10]首次經事前規劃的粒子碰撞於2010年3月30日發生，每束粒子的能量高達3.5 TeV，創造了當時人造粒子碰撞的能量記錄。[11]到了2012年，每束粒子的能量增加到了4 TeV。經過了2013年至2014年間的升級，2015年至2016年間發生的粒子對撞中，單束質子的能量即可高達6.5 TeV[12]。

此前在RHIC建設期間，公眾也有過類似的顧慮。牛津大學物理學教授法蘭克·克洛斯在當時這樣評價道：「（產生奇異夸克團的）可能性與連着三周中彩票大獎差不多。不過問題就是人們相信自己確實可以連着三周贏彩票。」[13]

相對論性重離子對撞機

主條目：相對論性重離子對撞機

公眾曾擔憂相對論性重離子對撞機（RHIC）可能帶來不利影響[14][15][16][17]。而在細緻研究後，科學家得到這樣的結論：「在合理的懷疑範圍內，RHIC中進行的重離子實驗不會對我們的星球產生威脅[18]，」並且有「足夠的實驗證據排除危險的奇異夸克團產生的可能性」[19]。

在RHIC開始執行任務之前，批評者提出對撞機中極高的能量會導致災難性的後果[20]，比如製造出代表另一種量子真空（參見假真空）的黑洞，或是製造出比一般物質更穩定的奇異物質。雖然這些假說千差萬別，但其中許多都預言了地球毀滅。依據各自理論，時間從幾秒至幾千年不等。但太陽系中的天體（比如說月球）在過去幾十億年的時間裏都會遭到宇宙射線的轟擊。這些宇宙射線所具有的能量比RHIC以及其他人造粒子撞擊的能量要高得多。而太陽系卻並沒有因此受到損害。這一事實是對這些假說的最有力的回擊。[21]

批評者還要求[來源請求]物理學家給出排除這些災難性後果產生的可能性的合理依據。物理學家並不能從實驗數據或從天體物理學理論角度給出這些災難性事件的機率為零，也不能保證地球明天就不會被「末日」宇宙線撞擊。他們只能計算上述事件可能性的上限。儘管並非人為，但遭到這樣的宇宙線轟擊的結果同樣會導致毀滅性的後果。依據給出的上限，RHIC還是會極其細微地改變地球倖免於難的可能性。

傳統媒體和科普媒體都表達了對於RHIC的憂慮[22][23][16][17]。馬丁·里斯給出了造成災難性後果的風險大小。對於RHIC來說，可能性至少有五千萬分之一。[24]至於產生奇異夸克團的可能性，牛津大學物理學教授法蘭克·克洛斯認為：「 與連着三周中彩票大獎差不多。不過問題就是人們相信自己確實可以連着3周贏彩票。」[13] 經過細緻的研究，科學家得到這樣的結論：「在合理的懷疑範圍內，RHIC中進行的重離子實驗不會對我們的星球產生威脅」[25]並且有「足夠的實驗證據排除危險的奇異夸克團產生的可能性」[26]。

討論過程

爭論始於1999年登載於《科學美國人》雜誌中瓦爾特·L·瓦格納[16][註 1]與普林斯頓高等研究所的法蘭克·維爾切克有關M·慕克吉之前發表的文章的往來信件。[17][註 2][29]傳統媒體對於此事的報道始於英國《星期日泰晤士報》1999年7月18日登載的J·利克的文章[30]之後不久美國媒體也開始報道此事[31]。布魯克黑文國家實驗室主任約翰·馬伯格為此召集委員會做調查。爭論在調查報告發表後基本終止，災難性後果的可能性在表面上得到排除。[21]然而，報告還是留下沒有完全解決的問題。比如，穿過地球的相對論性宇宙射線與靜止的RHIC撞擊產物性質是否會有所不同。以及高能質子和地球或月球的碰撞與RHIC中金核間的碰撞本質上是否相同。瓦格納之後試圖通過在紐約市和三藩市兩地提起聯邦訴訟的手段阻止RHIC的滿能量撞擊，但沒有成功。[32]由於三藩市法院在此案的優先級較高，在紐約市的起訴先遭到技術性駁回。而三藩市法院也駁回了起訴，不過允許瓦格納在向法庭提交進一步的資訊後再次提訴。 [33]

2005年3月17日，BBC發佈了一篇文章[34]暗指研究員賀拉斯· 訥斯塔塞（英語：Horaţiu Năstase）也相信RHIC中確實產生了黑洞。然而，文章引用的訥斯塔塞的論文[35]和《新科學家》中的文章[36]說的卻是只有在量子色動力學與閔考斯基空間和AdS/CFT理論的AdS5 × X5空間對應時，RHIC中產生的熱緻密QCD物質（英語：QCD matter）的對應體才是黑洞。換句話說，二者只是在數學性質上相似。因此RHIC中的碰撞在AdS/CFT可以通過與量子重力相關的數學理論描述，但實際的物理現象並不相同。

大型強子對撞機

主條目：大型強子對撞機

而到了LHC要承擔任務時，之前反對RHIC的瓦爾特·L·瓦格納、西班牙科普作家路易斯·桑喬以及德國生物化學家奧托·勒斯勒爾都對LHC的安全性表示擔憂，並試圖通過向美國和歐洲的法庭提出申訴來阻止實驗啟動[37][38][39][40][41]。這些反對者認為LHC的實驗有製造低速微型黑洞的潛在可能。那些黑洞可能會吸收物質或向外界釋放危險的輻射，從而導致地球毀滅[1][42] 。其他潛在風險包括奇異夸克團、磁單極子以及真空氣泡等[1][42]。

基於這些對安全性的擔憂，美國聯邦法官理查德·A·波斯納[43]與未來人類研究所（英語：Future of Humanity Institute）助理研究員托比·奧德[44]等人[45][46][47][48]表示LHC實驗付諸實施的風險太高。英國宇宙學家和天體物理學家馬丁·里斯在他的書《我們的最終世紀：人類能度過21世紀嗎？（英語：Our Final Century: Will the Human Race Survive the Twenty-first Century?）》中計算了大型強子對撞機導致全球性災難或製造出黑洞的機率上限為五千萬分之一[38]。不過里斯也表示不要「為了對撞機失眠」，並信任建造它的科學家[49]。 他認為：「我的書中的一兩處曾遭誤用。我願意告訴你安全性研究的即時情況。」[50]

LHC的風險評估引起了公眾的恐慌[37]，一些參與這個項目的科學家受到了抗議。大型強子對撞機團隊表示他們曾受到死亡威脅以及要求中止實驗的威脅信件或電話[50]。2008年9月9日，羅馬尼亞保守黨在歐盟委員會訪問布加勒斯特之前舉行抗議集會，要求中止該實驗，因為他們擔心LHC會製造出危險的黑洞。[51][52]

媒體報道

對於LHC的安全擔憂得到了媒體廣泛的關注。[37][53]數家發行量很大的報刊報道了與對撞機有關的末日恐慌，其中包括《泰晤士報》[54]、《衛報》[55]、《獨立報》[56]、《悉尼先驅晨報》[57]以及《時代周刊》。[58]相對於其他家媒體，CNN表示「雖然有些人擔心這項計劃會導致地球毀滅」[59]，但依照約翰·胡思等科學家的意見，那些純屬「無稽之談」[59]。MSNBC也表示 「有其他正經的事更需要擔心」[60]並試圖消除有關「那台原子破碎機可能會引起地震或是其他危險的轟隆隆」的擔憂[60]。一項線上調查結果顯示「（公眾中）不少人具有足夠的知識來避免恐慌」[60]。BBC報道稱：「科學界目前一致站在CERN的理論學家一邊」[61]，他們認為LHC不會有任何危險[61]。布萊恩·格林在《紐約時報》上向公眾再次保證：「如果黑洞在日內瓦的地下產生，那麼它有可能咽下瑞士，接着窮凶極惡地把整個地球都吞噬掉嗎？這個問題合乎情理，答案也是明確的：『不可能』。」[62]2008年9月10日，印度薩朗格普爾的一名16歲少女因為聽到當地媒體有關LHC的報道中給出的末日即將來到的預言後抑鬱自殺。[63]在聯邦起訴遭到駁回後，瓦爾特·L·瓦格納接受每日秀記者約翰·奧利弗的採訪，表示他相信LHC毀滅地球的可能性高達50%，因為那件事要麼發生要麼不發生。[64][65]

具體問題

微型黑洞

主條目：微型黑洞

科學家依照粒子物理的標準模型預測LHC的能量遠不足以產生黑洞。不過一些超越標準模型的物理學理論則假定會存在額外的空間維度。在那些維度上，LHC每秒會產生一個微型黑洞。[66][67][68][69][70]依據標準計算，這些微型黑洞是無害的，因為它們很快就會隨霍金輻射消失掉。[68]霍金輻射是黑洞由於量子效應發出的熱輻射。由於霍金輻射會使黑洞失去質量，因此當黑洞所損失的質量大於通過其他方式獲得的質量時，它們就會耗散收縮並最終消失。而LHC中產生的微型黑洞依據理論預測會比大黑洞的淨輻射量更大。它們會很快耗散收縮。[71]LHC安全性評估小組（LSAG）表示：「雖然現在物理學界普遍認同霍金輻射確實存在，但目前沒有實驗設備具有足夠高的靈敏度直接檢出這種輻射。」[3]

依據LSAG的意見。即使LHC中產生的微型黑洞是穩定的，它們也沒有能力以對地球有威脅的方式來吸積物質。它們可以產生於宇宙線。中子星和白矮星中也會留有這樣的微型黑洞。這些天體的穩定性可以證明微型黑洞不具有危險性：[3][72]

穩定黑洞要麼具有電荷，要麼是電中性的。……如果穩定微觀黑洞沒有電荷，它們與地球的相互作用就會非常微弱。那些由宇宙線產生的微型黑洞會穿過地球回到宇宙，而不帶來任何不良影響。不過LHC產生的微型黑洞可能會留在地球上。不過，宇宙中有比地球更大更稠密的天體。 由宇宙線和中子星或白矮星碰撞而產生的黑洞也會是靜止的。但這些緻密天體以及地球仍然繼續存在的事實可以排除LHC會產出危險黑洞的可能性。[4]

奇異夸克團

主條目：奇異夸克團

奇異夸克團是假想中存在的夸克物質「奇異物質」的小片段，具有大致等量的頂夸克、底夸克和奇夸克，比一般的原子核穩定，大小在幾飛米至幾米之間[3]。如果奇異夸克團確實存在，並且可以從LHC中產生，那麼它們就有可能啟動不可控的融合過程，以致地球上的所有原子核轉化為奇異物質，最終使地球轉化為夸克星。[3]

奇異夸克團產生的機率會隨能量升高而降低。[3]由於LHC的運行能量要比RHIC等1980年代至1990年代的重離子項目高，因此LHC中產生奇異夸克團的可能性要比先前的粒子對撞機低。[3]此外，現在的理論模型顯示奇異夸克團只有在低溫條件下才能穩定長期存在。它們只能處於低能狀態（1–10 MeV）, 而LHC中發生的撞擊釋放出的能量則在7–14 TeV之間。熱力學第二定律也不會允許比周圍介質溫度低幾個量級的凝聚體產生。這就如同在火爐中做冰塊一樣。[3]

未受到科學界認可的擔憂

德國蒂賓根大學化學教授奧托·勒斯勒爾（英語：Otto Rössler）認為LHC中的微型黑洞會指數型增長[73][74][75][76][77]。2008年7月4日，勒斯勒爾會見CERN的物理學家羅爾夫· 蘭杜亞，與他討論LHC的安全性[78]。在會談後，蘭杜亞邀請另一名專家阿爾伯特·愛因斯坦研究所主任赫爾曼·尼古拉來審查勒斯勒爾對自己觀點的論證[78]。尼古拉認為勒斯勒爾的論證前後矛盾，引用的物理理論也有錯誤[74][79]。他認為勒斯勒爾的文章「不能通過嚴肅期刊的審查流程」[77][79]。多梅尼科·朱利尼也評論了勒斯勒爾的報告，認為「他的論證只關心廣義相對論，與LHC所基於的物理學理論沒有邏輯上的聯繫；論證沒有根據也並不自洽」[80]。2008年8月1日，德國基本粒子委員會（KET）[81]發表了公開信進一步批駁了勒斯勒爾的指責並保證LHC是安全的[82][83]。奧托·勒斯勒爾原本會在2008年8月面見時任瑞士聯邦總統帕斯卡爾·庫什潘討論自己的關切[84]。但這次會見後來被取消，因為人們相信勒斯勒爾和他的同伴只是為了提高自己的知名度[85]。

2008年8月10日，德國天體物理學家賴納·普拉格在arXiv上發表論文稱LHC安全性研究並沒有完全排除圍觀黑洞帶來的潛在威脅，這其中包括可能具有危險性的黑洞發出的霍金輻射[1][86][87][88]。史蒂文· 吉丁斯和米凱蘭傑洛·曼加諾隨後也在arXiv上發表論文《假定存在的穩定TeV量級黑洞的天體物理學影響》（"Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes"）回應普拉格的意見[89][90]。他們認為普拉格的計算存在前後矛盾的地方，並提出LHC安全性評估報告的結論仍然 不可動搖[3][90]。吉丁斯和曼加諾還引用了論文《LHC中黑洞災難可能性的排除》（"Exclusion of black hole disaster scenarios at the LHC"），這篇文章依據新的論證得到了LHC中的微型黑洞不會有任何風險的結論[1][91]。2009年1月19日， 羅伯托·卡薩迪奧、塞爾焦· 法比與本傑明·哈姆斯在arXiv上發表論文，排除了普拉格設想的黑洞災變性增長的可能性。這篇文章隨後在《物理評論D》上發表。[92]為了回應批評意見，普拉格先後在2008年9月26日和2009年8月9日更新了他的論文[86]。截至目前，普拉格的論文也沒有在受同行評審的期刊上發表。

安全性評估

受CERN委託的調查

仿照此前RHIC安全性評估研究的先例，由獨立科學家組成的LHC安全性研究小組在2003年發表了報告《就LHC中重離子碰撞D的潛在危險事件的研究》（Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC）。該報告結論為，「任何可能預見的威脅都沒有存在基礎」。[2] 其中部分觀點是從LHC研究可能會出現的產物角度給出的，其基礎為假定存在的微型黑洞會通過霍金輻射（儘管尚未得到實驗驗證）消散的假設以及通過標準模型給出的理論預測。研究小組在報告中提出自數十億年前自然界即在發生着比LHC中能量高得多的碰撞，而沒有產生任何不利影響，例如宇宙中碰撞地球和其他天體的超高能宇宙線。[2]

2007年，CERN委任不參與LHC項目的5名粒子物理學家組成LHC安全性評估小組（LSAG）回應對於LHC的新的擔憂，成員包括CERN的約翰·埃利斯（英語：John Ellis (physicist)）、 吉安·弗朗切斯科·朱迪切、米凱蘭傑洛·曼加洛和烏爾斯·維德曼以及莫斯科原子核研究所（英語：Institute for Nuclear Research）的伊戈爾·特卡喬夫。[4]2008年6月20日，基於新的實驗數據和理論認識，LSAG更新了2003年的安全評估，再次強調了「LHC的對撞實驗沒有危險性，沒有理由為其擔心」的結論[3][4]。LSAG的報告之後接受由外部科學家組成向CERN理事會提供建議的CERN科學政策委員會（SPC）評審[5][40][93]。這份報告得到了由五名獨立科學家組成的評審小組的審核和認可，小組成員包括：彼得·布勞恩-蒙青格爾、馬泰奧·卡瓦利-斯福爾扎、傑拉德·特·胡夫特、布賴恩·韋伯（英語：Bryan Webber）以及法比奧· 茨維爾納。他們的結論獲得了SPC的全部20名成員的一致認可。[93]2008年9月5日，LSAG的報告在《物理學雜誌G（英語：Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics）》上發表。發行該刊物的英國物理學會在宣佈發表該報告的記者會上表示接受報告的結論。[3][7]

在LSAG安全性報告發表後[3]，世界第二大物理學家組織美國物理學會粒子和場部執行委員會發表聲明，認可LSAG的結論，並強調：「這份報告解釋了為什麼LHC製造的粒子不足為懼[6]。」2008年8月1日，德國的基本粒子物理委員會（KET）[81]發表公開信進一步駁斥對LHC實驗的指責，並基於LSAG的安全性評估保證LHC實驗的安全性[82][83]。

其他報告

2008年6月20日，史蒂文·吉丁斯和米凱蘭傑洛·曼加諾發表論文《假定存在的穩定TeV量級黑洞的天體物理學影響》（"Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes"），他們在該篇論文中通過論證排除了LHC中產生的黑洞的風險[89]。2008年8月18日，這份安全性評估在《物理評論D》上發表[94]。同日，另一篇發表於期刊《物理學》的評論文章中，吉丁斯和曼加諾的結論得到了認可[95]。LSAG的報告在這項研究中發揮了重要作用[40]。

2009年2月9日，一篇題為《LHC中黑洞災難可能性的排除》（"Exclusion of black hole disaster scenarios at the LHC"）發表於期刊《物理學快報B》[91]。這篇文章基於大量新的安全性論證（包括吉丁斯和曼加諾文章中提出的論證），匯總了當時的證據，排除了LHC中黑洞災難的可能性[89]。

法律爭議

2008年3月21日，瓦爾特·L·瓦格納和路易斯·桑喬向美國夏威夷聯邦地區法院提訴，要求向CERN和它美國的合作夥伴美國能源部、美國國家科學基金會以及費米國立加速器實驗室下達禁制令，中止LHC的啟動[42][96][97]。原告方要求LHC在LSAG最近的安全報告發表後的4個月內不得啟動，並要求在有足夠證據證明LHC具有工業標準的安全性前不得啟動[98]。依美國聯邦法院安排，庭審於2009年6月16日開始[99]。

LSAG的評估報告在接受外界評審後於2008年6月20日發表，給出結論「對於LHC中可能產生的新的粒子或物質形式帶來的後果的擔憂沒有任何依據」[3]。美國政府要求即刻駁回針對政府的訴狀，因為與CERN就此項目的合作早已結束（資助從1999年開始，時限6年。當時資助項目已經基本完成。），並表示原告方的要求過於依靠自己的推斷，沒有足夠的證據[100]。夏威夷地區法院聽取了政府的動議，於2008年9月2日駁回了訴狀[37]。9月26日，法院發佈指令，基於LHC項目在其管轄權之外的事實，支持政府動議駁回原告要求[101]。2010年8月24日，法院駁回了原告方的追訴[102][103]。

2008年8月26日，德國生物化學家奧托·勒斯勒爾率領一批歐盟公民，向位於斯特拉斯堡的歐洲人權法院起訴CERN，稱大型強子對撞機對於歐盟的27個成員國及其公民構成嚴重的風險。訴狀即日被法院駁回。[75][54][58]

而後在2009年，律師埃里克·約翰遜在《田納西法律評論》上評述了此時的法律情況[104][105][106]。只有致力於粒子物理學研究多年的學者才能理解對實驗風險複雜的科學論證。但這樣的學者由於付出了多年的努力，會不可避免地偏向支持實驗的立場。如果這些人威脅到實驗的持續，他們也會遭受來自同行嚴厲的指責。因此在這篇評述中，約翰遜提出：「在這種情況下，就不知道是否應該將粒子物理證詞呈送至法庭了。」[107]2010年2月，約翰遜文章的概要在《新科學家》上發表[108]。

2010年2月，德國聯邦憲法法院在沒有聽證的情況下，駁回了要求中止LHC運行的請願書，宣佈原告方沒有為自己的主張提供足夠有說服力的證據[109]。2011年1月，科隆行政法院駁回了追加的請願書[110]。而對此裁定的申訴也在2012年10月被北萊茵-威斯特法倫高等行政法院駁回[111]。

註釋

  1. ^ 瓦格納是位律師，此前當過物理實驗室技術員。他在1975年宣佈從宇宙線數據中找到磁單極子存在的證據[27]，不過又在1978年將該結果撤回[28]。
  2. ^ 維爾切克以其對夸克的研究聞名於世。他之後因為此項工作獲得諾貝爾獎。

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外部連結

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