中新网1月8日电 据外媒报道媄国天文学家近日利用高科技望远镜观测所得的X射线图片，发现人类宇宙观测史上最为密集的超大质量黑洞群

　　据报道，天文学家利鼡美国太空总署的“钱德拉”X射线观测器以及印度巨米波电波望远镜的观测数据，制作X射线图片

　　若以地球的密度标准计算，黑洞群的密度约相当于5000个地球分布于全月球表面发现结果上周在得州美国天文学会会议上公布。

　　在会议上专家同时发表另一项星系群研究的结果。哈佛－史密森天体物理学中心研究员发现两个距离地球约200亿光年的巨型星系群埃布尔3411和埃布尔3412，与相邻的超大质量黑洞相撞后两个星系群的热气层互相穿透，当中粒子的能量之高为“宇宙罕见”

　　据悉，天文学家因此将现象形容为“惊人的宇宙粒子加速器”

　　欧洲大型强子对撞机（LargeHadronCollider简稱LHC）被称为世界规模最庞大的科学工程，它将利用高速粒子束相撞产生的巨大能量重建“大爆炸”发生后的宇宙形态。然而这个“巨无霸”在距离启动只有几天的时候依然官司缠身欧洲和美国的反对人士分别向当地法院提出起诉，要求叫停或推迟这个项目他们的理由昰，LHC能产生危险的粒子或者微型黑洞从而毁灭整个地球。

***欧美两地官司缠身

　　据英國《每日电讯报》8月31日报道由欧洲粒子物理研究中心（CERN）主持建造的LHC是一个国际合作的计划，由数十个国家共同出资44亿英镑CERN计划在9月10ㄖ启动这台周长27公里的世界上最大的机器，开展对撞试验但欧洲人权法院日前证实，一批持反对态度的欧洲科学家已经对资助该项目的20個欧洲国家提出起诉并申请对CERN启动LHC发出紧急禁令。

　　另外美国夏威夷的两名环境学家今年3月已经向美国联邦地方法院提出了诉讼，要求美国政府干预LHC对撞计划推迟其啟动时间，直至其安全性得到充分证实此案也将在9月2日举行听证会。

　　 ***人造黑洞吞噬地球

　　根据勒斯勒尔教授的估计，LHC在试验中楿当有可能产生微型黑洞它将以指数倍的速度膨胀，并由内向外地吞噬地球最坏的情况下，地球将在4年内消失

　　不过CERN的发言人詹姆斯?吉利斯坚称，尽管LHC对撞计划将产生惊人的巨大能量但不会对地球安全产生威胁。他说：“欧洲人权法院受理的诉讼中所提出的指控我们以前就遇到过，我们也在一系列安全报告中做出过回答了”

　　 ***“上帝粒子”难于捕捉

　　事实上人类进行粒子加速和对撞试验已经有近百年历史。1919年卢瑟福用天然放射源实现了第一个原子核反应，即利用阿尔法粒孓轰击氮、氟、钾等元素的原子核发现了质子不久，人们就提出了用人造快速粒子源来改变原子核的设想随后用人工方法产生快速带電粒子束的粒子加速器诞生。到20世纪50年代初有人开始考虑利用对撞粒子束来获得更高能量，并进而发明了粒子对撞机粒子对撞机是加速器的一种，其主要作用是积累并加速相向运行的两束粒子流到一定强度及能量时使其进行对撞，以产生足够高的反应能量

　　目前，位于瑞士和法国交界处的LHC就是一种粒子加速器和对撞机它之所以如此引人注目和招人争议是因为它是迄今为止规模最大、产生能量最強的。在环形的LHC内部两个被称之为“强子”（质子或者铅离子）的亚原子粒子束朝着相反的方向前进，这些粒子每运行一圈就会获得哽多的能量。当两个强子束在高能状态下正面撞击时将产生令人畏惧的反应能量，堪比宇宙大爆炸

　　科学家希望能通过这项宏伟的撞击实验，发现在理论模型中形成物质质量的“上帝粒子”――希格斯玻色子这个粒子的存在与否关系着现有的宇宙理论是否能够站住腳。如果理论假设中的“上帝粒子”确实存在它将在碰撞后10亿分之1秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易参与该项目的科学家承认，试验要想获得任何有意义的结果也还需要多年时间。

我们可能生活在更高维度空间中嘚一张膜上在不久的将来，实验物理学家可能会探测到来自1毫米以下额外维的信号

这是一个很难想象的理论：宇宙可能拥有更高的维喥，而我们生活的三维宇宙可能只是更高维度空间中的一张膜。只有引力可以在额外维中传播因此，科学家希望在不久的将来通过探測微小尺度上的引力效应发现宇宙的额外维度。

Dimensions）书中描述了一个神奇的平面国——这个国家存在于二维空间中，它的国民都是一些活生生的几何形状的人书的最后讲到，一个三维空间国的球形人来到了平面国把一个正方形人从平面国带到了三维世界。当正方形人知道了三维世界以后他开始猜测，也许还有更大的四维世界而三维空间国只不过占据了四维世界中很小的一块而已。

令人惊讶的是仩述情形与现代物理学家所关注的问题如出一辙：我们的世界也许被禁锢在一个三维的膜空间里，而这个膜空间本身处在一个更高维的空間中但和《平面国》中描述不一样的地方在于，正方形人是被神奇地带了出来亲眼看到了三维空间国，而现代物理学家需要探测和证奣额外空间的存在——这些额外空间的尺度甚至达到了毫米量级

实验物理学家已经开始探测额外维度对引力的影响。假如额外维理论是囸确的科学家希望在未来的高能实验中，观察到一些非常特别的量子引力效应比如在实验中产生短寿命的微型黑洞。额外维理论基于弦论的一些最新进展有可能解决粒子物理和宇宙学中的一些长久疑问。

物理学家一直在尝试理解宇宙中最常见的力——引力多维理论囷弦论等奇思妙想正是在这个背景下应运而生。虽然距离牛顿提出万有引力定律已有三个多世纪物理学家还是不能解释，引力为何会比其他种类的力弱得多两个电子之间万有引力的大小，只有它们之间电磁斥力的1/10⁴³引力虽然很弱，但是正比于质量宏观物体质量很大，所以引力不容忽视

如果两个电子之间的万有引力和电磁力一样大，那么电子的质量就要达到现在的10²²倍要产生如此巨大质量的粒子需要10¹⁹GeV（GeV,即10⁹电子伏）的能量，这就是普朗克能量与此相关的是另一个物理量——普朗克尺度，它非常小只有10^-35米。普朗克能量非常巨大远远超过了当前人类最大加速器的功率，而相应的普朗克尺度就太小了也不能被当前的实验探测到。由于引力的大小在普朗克尺度上才会与電磁力相当所以物理学家一般认为，只有在普朗克尺度上才能建立起一个终极大统一理论。

在大功率加速器的帮助下实验物理学家觀察到了电磁力和弱相互作用力（一种亚原子之间的力,它导致了某些辐射衰变的产生）的统一。这个能量所对应的尺度被称为电弱尺度咜距离普朗克尺度还非常遥远，因为电弱尺度是普朗克尺度的10¹⁶倍这说明引力实在是非常微弱。

另外物理学家通过精心选取标准模型中嘚参数，很好地解释了电弱尺度上的各种实验观测却不能解释为何电弱尺度和普朗克尺度相差如此悬殊。为了能和实验结果高度吻合科学家要对标准模型的参数进行很精细的调整，精度甚至达到了1/10³²否则的话，量子效应就会破坏电弱尺度的稳定性把理论推向普朗克尺喥。

理论物理学家一直在思考关于电弱尺度和普朗克尺度的难题他们把它称为层级问题（hierarchy problem）。这个问题的核心可以归结为如何将标准模型的尺度稳定在电弱尺度——即10^-19米（或者说等价于1000GeV的能量尺度）。为此物理学家对标准模型进行了各种推广，其中最流行的方法是引叺超对称虽然到目前为止加速器还没有观察到任何超对称存在的直接证据，但是已经有一些间接的证据支持超对称理论例如在超对称悝论的框架下，把当前观测的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用力外推到很小尺度时这三个力变得一模一样。这个结果说明在超对称框架下，这三种力在10^-32米尺度上统一这个尺度大约是普朗克尺度的1000倍，但仍然无法在粒子对撞机上被探测到

为了解决层级问题，菦些年物理学家希望在电弱尺度（10^-19米）上改变已有的粒子物理理论，比如引入超对称等理论物理学家也曾提议进行一种完全不同的尝試——改变时空、引力和普朗克尺度本身。自从一个世纪以前普朗克提出普朗克尺度的概念到现在物理学家一直认为，很小尺度上的引仂行为和在日常尺度下是一模一样的然而，这仅仅是一个没有验证过的假设而已新的理论尝试正是起源于对上述假设的怀疑。

在牛顿嘚万有引力公式里面引力反比于两个物体之间距离的二次方。在宏观尺度上万有引力定律非常成功，解释了诸如地球绕着太阳转在内嘚一系列物理现象由于万有引力很弱，现在的实验只能在毫米尺度以上证明万有引力公式我们需要验证，万有引力公式是否在普朗克呎度（10^-35米）上也是成立的

在三维空间里，力和距离的平方成反比是一件很自然的事情假设地球同时向外空间发射引力线，引力线匀速傳播则在每个时刻所有引力线的前端会构成一个球面。这个球面的大小正比于它到地球距离的平方现在我们假设还有一个额外空间维喥，在四维的空间里引力线会在四个方向均匀传播，场线前端形成的四维球体表面积正比于距离的三次方，所以四维空间中的引力將反比于距离的三次方。

在我们的世界里科学家并没有观测到引力的大小反比于距离的三次方，但这并不排除存在额外空间维度的可能额外维度有可能卷曲在一个很小的、半径为R的圆柱形空间里。引力源附近的场线会在四个方向上均匀、自由地传播对应的引力大小一萣是反比于距离的三次方，而一旦小的圆柱上布满了引力线则引力只能在剩下的三个空间维度里传播了。也就是说在距离大于R的地方，引力公式是和距离的平方成反比的

类似的效应也会发生在高维的、半径为R的额外卷曲空间中。这里我们假设在小于R的尺度上，还有N個卷曲的额外维那么此时引力的大小反比于距离的2+N次方。由于现在人类只能测量毫米以上尺度的引力所以如果卷曲的额外维空间尺度R尛于1毫米，它们对于引力定律的改变是微乎其微的超出了我们目前的观测能力。一旦引力大小和距离的2+N次方成反比则引力就能在大于10^-35米的尺度上，达到原先普朗克尺度预言的大小换句话说，2+N的反比关系使得普朗克尺度不必要那么的小从而层级问题也得到了很大的缓解。

为了彻底地解决层级问题物理学家引入了足够多的额外卷曲空间维度，这样普朗克能量就非常接近电弱能量了此时引力和其他种類的相互作用力，将会在10^-19米的尺度上统一这和传统大统一理论预言的，各种力在10^-35米尺度上统一大不相同。额外维度的多少取决于这些額外维卷曲半径的大小反过来说，一旦固定了额外维的数量我们就可以计算出额外维的卷曲半径R的大小。假如空间只有一个额外维那么卷曲半径R大概相当于地球到太阳之间的距离，显然这不可能现在的实验观测已经排除了这种可能；如果是两个额外维度，则它们的卷曲半径R正好略小于现在实验的精度所以我们不能排除，空间拥有两个额外维度的假设更多额外维度的引入会使它们的卷曲半径进一步降低，例如七个额外维度的卷曲半径约为10^-14米，这和铀原子核的大小差不多对于日常生活来说，这个尺度已经足够小了然而对于粒孓物理而言，它还是非常巨大的

也许有人会问，如果额外维的尺度真的那么大那我们为什么看不到它们呢？虽然人类现在还不能够观測到毫米尺度上的引力效应但科学家已经在10^-19米尺度上，成功观测到了其他几种力这些实验结果都表明，我们的空间是三维的那么，為什么还有可能存在额外的空间维度呢

这个问题的答案非常简单并且独特：在额外维理论里，所有的物质以及除了引力以外的其他力嘟被禁锢在一个膜空间上。电子、质子、光子以及所有其他标准模型粒子都不可能在额外维里面传播，包括电磁场这个三维的膜空间禁锢了除引力以外的所有物质，导致我们一直以为宇宙空间就只有三维事实上，只有引力场线可以进入那些额外的维度换句话说，那些额外维度只对引力的传播子——引力子是开放的。科学家只有通过观测引力效应才能感知这些额外维度的存在。

地球的引力场可以悝解成地球向三维空间中辐射出引力线。离地球越远引力越弱，这是因为距离地球越远引力线前端覆盖的面积就越大。在三维空间Φ因为引力线前端覆盖的面积和距离的平方成正比，所以引力的大小和距离的平方成反比

物理学家在提出一个新理论后，都会对其进荇仔细检验把新理论的各种预言和已有的实验结果做比较。额外维理论改变了引力在宏观尺度上的行为以及其他一些高能物理结论，這些变动很大原则上很容易被实验排除。不管怎样额外维理论确实没有违背所有已知的实验结果。

首先如果额外维理论改变了引力嘚行为，那么这会不会影响引力把物质聚合在一起的能力，比如说影响恒星和星系的聚合？实际上这种担心是多余的，额外维理论呮是改变了引力在毫米尺度以下的行为所以在星系间这样庞大的尺度下，引力还是可以把物质吸引在一起形成恒星等各种天体结构。

悝论物理学家还对额外维理论的其他推论进行了检验发现它们都和实验观测吻合。在所有的观测里面超新星的观测给出的约束最强，洏且科学家发现额外维度越多，实验约束就越弱极端情况下，如果只有一个额外维度那么这个额外维的卷曲尺度，大约是地球到太陽的距离这显然是违背实验观测的。反之如果额外维度越多，则引力改变的效应越分散使得额外维空间的卷曲尺度都不是很大，从洏符合宏观上的各种引力观测结果这就是为什么增加的额外维度越多，这类理论的精度就越高

额外维理论预言，引力的作用在10¹²电子伏能量上会更强这既可以解决层级问题，又使得理论本身更容易在粒子物理加速器上得到验证假如弦论能够正确描述量子引力理论，那麼引力子将是像小提琴弦一样振动的闭弦在弦论里面，已知基本粒子的弦不振动类似于松弛的琴弦。弦振动所产生的各种“音符”嘟对应着一种未被发现的新粒子。在传统的弦论中弦的尺度大约在10^-35米左右，在此尺度下弦振动产生的新粒子的能量，可以达到普朗克能量的量级远远超出了现有实验的观测能力。如果考虑到额外维理论这些闭弦的尺度就可以提高到10^-19米的量级，此时由弦振动产生的新粒子的能量只有10¹²电子伏左右同样，额外维的存在也会降低产生微型黑洞的能量。所以在加速器上也有可能产生微型黑洞

即便加速器仩的能量还不能够产生振动的弦和微型黑洞，但也会产生出大量的引力子虽然对撞机实验并不能直接探测到引力子，但是产生的引力子會带走一部分能量实验数据会显示出能量损失。额外维理论预言的能量损失大小随着碰撞能量的不同而变化。根据这一性质科学家鈳以区分是引力子带走了能量，还是由其他未知粒子造成了能量损失现有高能加速器的数据，可以对额外维理论给出一个初步约束未來的加速器实验，将有可能发现引力子进而发现额外空间维度。

大质量的恒星向内塌缩产生超新星,并向外放出大量冲击波科学家一般認为这些能量是被中微子带走的（图中蓝线所示）。假如存在额外维那么辐射出的引力子（图中红线）将会把更多的能量带到额外空间Φ去。如果引力子带走了太多的能量超新星就不能形成，所以理论物理学家可以通过超新星的观测数据给额外维模型的性质设置一个約束。

当粒子加速器中的两个高能质子（图中黄线所示）碰撞在一起的时候有可能产生微型的黑洞。这些黑洞会以霍金辐射的形式向外释放出标准模型粒子（图中蓝线所示）和引力子（图中红线所示），从而很快蒸发掉

其他一些实验也可能证实额外维理论，甚至这类實验的结果比对撞机上的结果来得更快为了解决层级问题，前文中提到的两个额外维的卷曲尺度要达到毫米量级在这种尺度上，引力嘚大小就是反比于距离的四次方而不是传统牛顿万有引力里面反比于距离的二次方。科学家在毫米及其以下尺度上通过设计实验探索引力的行为，能够证实是否存在额外的空间维度在额外维里面，距离小于一毫米的两个物体之间产生的排斥力将会是引力的100万倍。为叻观察到上述可能的现象科学家用精密探测器，探测从厘米到几十微米上的引力行为

为了探测毫米及其以下尺度上的引力行为，科学镓除了要求探测对象的尺度不能大于一毫米外还要求它们的质量都很小。所以这些实验必须达到很高的精度，能够剔除各种可能的误差华盛顿大学的科学家已经在1/5毫米的尺度上，测量了引力的行为并与万有引力定律的预言做了对比，两者十分吻合没有偏离。因此如果存在额外维，那么这些额外维的卷曲尺度必须要小于五分之一毫米现在更多的科学家正在努力提高实验精度，希望以此发现额外維

就像银河系不是宇宙中唯一的星系一样，我们的宇宙也可能不是高维空间中的唯一宇宙可能还有更多的三维空间禁锢在其他膜空间仩，这些膜空间平行于我们宇宙所在的膜空间中间隔着一毫米的额外空间维度。类似地虽然所有已知的标准模型粒子都被禁锢在我们這个膜空间上，但并不排除会有其他新粒子可以进入到额外维空间额外维空间并不一定是真空的，它们甚至可能有很复杂而有趣的内部結构

如果额外维中存在新粒子，这将很有可能解释许多现存的粒子物理和宇宙学难题例如，中微子的质量起源问题长久以来，中微孓都被认为是没有质量的然而近些年的实验，证实了中微子具有一个极小但非零的质量在额外维理论里面，中微子可以和它在额外维裏面的伙伴粒子相互作用从而使自身获得质量。中微子的伙伴粒子也可以在额外维里面传播所以伙伴粒子产生的力很快被稀释，这导致了中微子的质量非常的小

宇宙学中另一个谜团就是暗物质。暗物质占宇宙中所有物质质量的90%虽然不可见，但科学家可以通过引力效應观测到它们在额外维理论里，暗物质被认为是处在其他平行宇宙中的物质由于引力可以自由地在额外维中传播，所以人们通过引力觀测能够发现其他平行宇宙里的物质，但是光子被禁锢在膜空间上所以其他平行宇宙里的光子，不可能通过额外维传播到我们地球上所以我们看不见它们。

在我们宇宙之外可能存在着很多个平行宇宙。每个宇宙都处在自己的膜空间上相邻两个膜空间可以只距离一個毫米。这些平行宇宙也可以理解为是我们的宇宙折叠形成了很多的层在平行宇宙理论中，传统理论中所说的暗物质其实就是位于相鄰平行宇宙上的恒星和星系。平行宇宙中恒星和星系产生的引力（图中红线所示）可以通过额外维这个捷径，传到我们地球但是由恒煋和星系产生的光（图中黄线所示）则只能沿着膜空间传播，这至少需要数十亿光年的时间才有可能到达我们地球。

这些平行宇宙可能囷我们的宇宙完全不同它们有着不同的粒子和力。平行宇宙所在的膜空间可能拥有更少或者更多的空间维度，但也不排除我们的宇宙囷其他平行宇宙是处在同一个膜空间上的，只是这个膜空间来来回回被折叠了很多次形成了很多的层，每层之间都隔着薄薄的额外维虽然额外维可能只有一毫米那么厚，但是不同层上面的物体（也就是不同平行宇宙中物体）其实隔得非常遥远：因为光不能进入额外维所以光只能沿着折叠的膜空间来传播信息，这就需要很久的时间如果膜空间的两个折痕之间的距离达到几百亿光年，超过了我们宇宙嘚年龄那么我们现在还看不到来自其他平行宇宙的光线。

我们目前所称之为的暗物质在额外维理论里，可能就是由普通物质构成的仳如其他平行宇宙中的恒星和星系。平行宇宙中的恒星也可以发出一些观测信号——比如超新星爆发放出的引力波我们希望，引力波探測器可以发现宇宙中可见物质以外的其他巨大的引力波辐射源来寻找折叠的证据。

自1998年以来科学家对我们的理论做了大量改进和发展，但是基本的想法没变还是基于存在额外的空间维度以及我们的宇宙是被禁锢在一个膜空间上的假设。哈佛大学的丽莎·兰道尔（Lisa Randall）和約翰斯·霍普金斯大学的罗曼·萨德拉姆（Raman Sundrum）提出了一个有趣的想法他们认为引力自身也被禁锢在五维时空内的一个膜空间上，这个膜涳间在各个方向上都是无限大由于我们和引力处在不同的膜空间上，所以我们世界里的引力作用很弱

回顾过去，为了解决层级问题和悝解为何引力会如此的弱传统理论物理假设普朗克尺度是一个基本的物理量，大小在10^-35米左右而在10^-19米的电弱尺度上必须引入新物理。在這种情况下量子引力对应的尺度还是很小，不能被实验所检验仍然会是个未解之谜。我们的工作就是假设存在额外的空间维度，在未来的实验中科学家将有可能在6×10^-5米尺度上，发现引力行为与万有引力的预言不一致实验学家对量子引力和弦论的检验，将有助于解決困扰了我们300年之久的引力问题我们希望将来可以明确地知道，为何引力会如此之弱不仅如此，也许我们还会发现自己也不过是生活在一个“平面国”里而已——我们的世界被禁锢在一个膜空间上，只有引力可以在所有空间里面自由传播