高能粒子对撞实验的安全性

争论始于1999年登载于《科学美国人》杂志中瓦尔特·L·瓦格纳[16][註 1]与普林斯顿高等研究所的弗兰克·维尔切克有关M·慕克吉之前发表的文章的往来信件。[17][註 2][29]传统媒体对于此事的报道始于英国《星期日泰晤士报》1999年7月18日登载的J·利克的文章[30]之后不久美国媒体也开始报道此事[31]。布鲁克黑文国家实验室主任约翰·马伯格为此召集委员会做调查。争论在调查报告发表后基本终止，灾难性后果的可能性在表面上得到排除。[21]然而，报告还是留下没有完全解决的问题。比如，穿过地球的相对论性宇宙射线与静止的RHIC撞击产物性质是否会有所不同。以及高能质子和地球或月球的碰撞与RHIC中金核间的碰撞本质上是否相同。瓦格纳之后试图通过在纽约市和旧金山两地提起联邦诉讼的手段阻止RHIC的满能量撞击，但没有成功。[32]由于旧金山法院在此案的优先级较高，在纽约市的起诉先遭到技术性驳回。而旧金山法院也驳回了起诉，不过允许瓦格纳在向法庭提交进一步的信息后再次提诉。 [33]

2005年3月17日，BBC发布了一篇文章[34]暗指研究员贺拉斯· 讷斯塔塞也相信RHIC中确实产生了黑洞。然而，文章引用的讷斯塔塞的论文[35]和《新科学家》中的文章[36]说的却是只有在量子色动力学与闵可夫斯基空间和AdS/CFT理论的AdS₅ × X₅空间对应时，RHIC中产生的热致密QCD物质的对应体才是黑洞。换句话说，二者只是在数学性质上相似。因此RHIC中的碰撞在AdS/CFT可以通过与量子引力相关的数学理论描述，但实际的物理现象并不相同。

对于LHC的安全担忧得到了媒体广泛的关注。[37][53]数家发行量很大的报刊报道了与对撞机有关的末日恐慌，其中包括《泰晤士报》[54]、《卫报》[55]、《独立报》[56]、《悉尼先驱晨报》[57]以及《时代周刊》。[58]相对于其他家媒体，CNN表示“虽然有些人担心这项计划会导致地球毁灭”[59]，但依照约翰·胡思等科学家的意见，那些纯属“无稽之谈”[59]。MSNBC也表示 “有其他正经的事更需要担心”[60]并试图消除有关“那台原子破碎机可能会引起地震或是其他危险的轰隆隆”的担忧[60]。一项线上调查结果显示“（公众中）不少人具有足够的知识来避免恐慌”[60]。BBC报道称：“科学界目前一致站在CERN的理论学家一边”[61]，他们认为LHC不会有任何危险[61]。布莱恩·格林在《纽约时报》上向公众再次保证：“如果黑洞在日内瓦的地下产生，那么它有可能咽下瑞士，接着穷凶极恶地把整个地球都吞噬掉吗？这个问题合乎情理，答案也是明确的：‘不可能’。”[62]2008年9月10日，印度萨朗格普尔的一名16岁少女因为听到当地媒体有关LHC的报道中给出的末日即将来到的预言后抑郁自杀。[63]在联邦起诉遭到驳回后，瓦尔特·L·瓦格纳接受每日秀记者约翰·奥利弗的采访，表示他相信LHC毁灭地球的可能性高达50%，因为那件事要么发生要么不发生。[64][65]

科学家依照粒子物理的标准模型预测LHC的能量远不足以产生黑洞。不过一些超越标准模型的物理学理论则假定会存在额外的空间维度。在那些维度上，LHC每秒会产生一个微型黑洞。[66][67][68][69][70]依据标准计算，这些微型黑洞是无害的，因为它们很快就会随霍金辐射消失掉。[68]霍金辐射是黑洞由于量子效应发出的热辐射。由于霍金辐射会使黑洞失去质量，因此当黑洞所损失的质量大于通过其他方式获得的质量时，它们就会耗散收缩并最终消失。而LHC中产生的微型黑洞依据理论预测会比大黑洞的净辐射量更大。它们会很快耗散收缩。[71]LHC安全性评估小组（LSAG）表示：“虽然现在物理学界普遍认同霍金辐射确实存在，但目前没有实验设备具有足够高的灵敏度直接检出这种辐射。”[3]

依据LSAG的意见。即使LHC中产生的微型黑洞是稳定的，它们也没有能力以对地球有威胁的方式来吸积物质。它们可以产生于宇宙线。中子星和白矮星中也会留有这样的微型黑洞。这些天体的稳定性可以证明微型黑洞不具有危险性：[3][72]

稳定黑洞要么具有电荷，要么是电中性的。……如果稳定微观黑洞没有电荷，它们与地球的相互作用就会非常微弱。那些由宇宙线产生的微型黑洞会穿过地球回到宇宙，而不带来任何不良影响。不过LHC产生的微型黑洞可能会留在地球上。不过，宇宙中有比地球更大更稠密的天体。 由宇宙线和中子星或白矮星碰撞而产生的黑洞也会是静止的。但这些致密天体以及地球仍然继续存在的事实可以排除LHC会产出危险黑洞的可能性。[4]

奇异夸克团是假想中存在的夸克物质“奇异物质”的小片段，具有大致等量的顶夸克、底夸克和奇夸克，比一般的原子核稳定，大小在几飞米至几米之间[3]。如果奇异夸克团确实存在，并且可以从LHC中产生，那么它们就有可能启动不可控的融合过程，以致地球上的所有原子核转化为奇异物质，最终使地球转化为夸克星。[3]

奇异夸克团产生的概率会随能量升高而降低。[3]由于LHC的运行能量要比RHIC等1980年代至1990年代的重离子项目高，因此LHC中产生奇异夸克团的可能性要比先前的粒子对撞机低。[3]此外，现在的理论模型显示奇异夸克团只有在低温条件下才能稳定长期存在。它们只能处于低能状态（1–10 MeV）, 而LHC中发生的撞击释放出的能量则在7–14 TeV之间。热力学第二定律也不会允许比周围介质温度几个量级的凝聚体产生。这就如同在火炉中做冰块一样。[3]

德国蒂宾根大学化学教授奥托·勒斯勒尔认为LHC中的微型黑洞会指数型增长[73][74][75][76][77]。2008年7月4日，勒斯勒尔会见CERN的物理学家罗尔夫· 兰杜亚，与他讨论LHC的安全性[78]。在会谈后，兰杜亚邀请另一名专家阿尔伯特·爱因斯坦研究所主任赫尔曼·尼古拉来审查勒斯勒尔对自己观点的论证[78]。尼古拉认为勒斯勒尔的论证前后矛盾，引用的物理理论也有错误[74][79]。他认为勒斯勒尔的文章“不能通过严肃期刊的审查流程”[77][79]。多梅尼科·朱利尼也评论了勒斯勒尔的报告，认为“他的论证只关心广义相对论，与LHC所基于的物理学理论没有逻辑上的联系；论证没有根据也并不自洽”[80]。2008年8月1日，德国基本粒子委员会（KET）[81]发表了公开信进一步批驳了勒斯勒尔的指责并保证LHC是安全的[82][83]。奥托·勒斯勒尔原本会在2008年8月面见时任瑞士联邦总统帕斯卡尔·库什潘讨论自己的关切[84]。但这次会见后来被取消，因为人们相信勒斯勒尔和他的同伴只是为了提高自己的知名度[85]。

2008年8月10日，德国天体物理学家赖纳·普拉格在arXiv上发表论文称LHC安全性研究并没有完全排除围观黑洞带来的潜在威胁，这其中包括可能具有危险性的黑洞发出的霍金辐射[1][86][87][88]。史蒂文· 吉丁斯和米凯兰杰洛·曼加诺随后也在arXiv上发表论文《假定存在的稳定TeV量级黑洞的天体物理学影响》（"Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes"）回应普拉格的意见[89][90]。他们认为普拉格的计算存在前后矛盾的地方，并提出LHC安全性评估报告的结论仍然 不可动摇[3][90]。吉丁斯和曼加诺还引用了论文《LHC中黑洞灾难可能性的排除》（"Exclusion of black hole disaster scenarios at the LHC"），这篇文章依据新的论证得到了LHC中的微型黑洞不会有任何风险的结论[1][91]。2009年1月19日， 罗伯托·卡萨迪奥、塞尔焦· 法比与本杰明·哈姆斯在arXiv上发表论文，排除了普拉格设想的黑洞灾变性增长的可能性。这篇文章随后在《物理评论D》上发表。[92]为了回应批评意见，普拉格先后在2008年9月26日和2009年8月9日更新了他的论文[86]。截至目前，普拉格的论文也没有在受同行评审的期刊上发表。

仿照此前RHIC安全性评估研究的先例，由独立科学家组成的LHC安全性研究小组在2003年发表了报告《就LHC中重离子碰撞D的潜在危险事件的研究》（Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC）。该报告结论为，“任何可能预见的威胁都没有存在基础”。[2] 其中部分观点是从LHC研究可能会出现的产物角度给出的，其基础为假定存在的微型黑洞会通过霍金辐射（尽管尚未得到实验验证）消散的假设以及通过标准模型给出的理论预测。研究小组在报告中提出自数十亿年前自然界即在发生着比LHC中能量高得多的碰撞，而没有产生任何不利影响，例如宇宙中碰撞地球和其他天体的超高能宇宙线。[2]

2007年，CERN委任不参与LHC项目的5名粒子物理学家组成LHC安全性评估小组（LSAG）回应对于LHC的新的担忧，成员包括CERN的约翰·埃利斯、 吉安·弗朗切斯科·朱迪切、米凯兰杰洛·曼加洛和乌尔斯·维德曼以及莫斯科原子核研究所的伊戈尔·特卡乔夫。[4]2008年6月20日，基于新的实验数据和理论认识，LSAG更新了2003年的安全评估，再次强调了“LHC的对撞实验没有危险性，没有理由为其担心”的结论[3][4]。LSAG的报告之后接受由外部科学家组成向CERN理事会提供建议的CERN科学政策委员会（SPC）评审[5][40][93]。这份报告得到了由五名独立科学家组成的评审小组的审核和认可，小组成员包括：彼得·布劳恩-蒙青格尔、马泰奥·卡瓦利-斯福尔扎、杰拉德·特·胡夫特、布赖恩·韦伯以及法比奥· 茨维尔纳。他们的结论获得了SPC的全部20名成员的一致认可。[93]2008年9月5日，LSAG的报告在《物理学杂志G》上发表。发行该刊物的英国物理学会在宣布发表该报告的记者会上表示接受报告的结论。[3][7]

在LSAG安全性报告发表后[3]，世界第二大物理学家组织美国物理学会粒子和场部执行委员会发表声明，认可LSAG的结论，并强调：“这份报告解释了为什么LHC制造的粒子不足为惧[6]。”2008年8月1日，德国的基本粒子物理委员会（KET）[81]发表公开信进一步驳斥对LHC实验的指责，并基于LSAG的安全性评估保证LHC实验的安全性[82][83]。

2008年6月20日，史蒂文·吉丁斯和米凯兰杰洛·曼加诺发表论文《假定存在的稳定TeV量级黑洞的天体物理学影响》（"Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes"），他们在该篇论文中通过论证排除了LHC中产生的黑洞的风险[89]。2008年8月18日，这份安全性评估在《物理评论D》上发表[94]。同日，另一篇发表于期刊《物理学》的评论文章中，吉丁斯和曼加诺的结论得到了认可[95]。LSAG的报告在这项研究中发挥了重要作用[40]。

2009年2月9日，一篇题为《LHC中黑洞灾难可能性的排除》（"Exclusion of black hole disaster scenarios at the LHC"）发表于期刊《物理学快报B》[91]。这篇文章基于大量新的安全性论证（包括吉丁斯和曼加诺文章中提出的论证），汇总了当时的证据，排除了LHC中黑洞灾难的可能性[89]。

2008年3月21日，瓦尔特·L·瓦格纳和路易斯·桑乔向美国夏威夷联邦地区法院提诉，要求向CERN和它美国的合作伙伴美国能源部、美国国家科学基金会以及费米国立加速器实验室下达禁制令，中止LHC的启动[42][96][97]。原告方要求LHC在LSAG最近的安全报告发表后的4个月内不得启动，并要求在有足够证据证明LHC具有工业标准的安全性前不得启动[98]。依美国联邦法院安排，庭审于2009年6月16日开始[99]。

LSAG的评估报告在接受外界评审后于2008年6月20日发表，给出结论“对于LHC中可能产生的新的粒子或物质形式带来的后果的担忧没有任何依据”[3]。美国政府要求即刻驳回针对政府的诉状，因为与CERN就此项目的合作早已结束（资助从1999年开始，时限6年。当时资助项目已经基本完成。），并表示原告方的要求过于依靠自己的推断，没有足够的证据[100]。夏威夷地区法院听取了政府的动议，于2008年9月2日驳回了诉状[37]。9月26日，法院发布指令，基于LHC项目在其管辖权之外的事实，支持政府动议驳回原告要求[101]。2010年8月24日，法院驳回了原告方的追诉[102][103]。

2008年8月26日，德国生物化学家奥托·勒斯勒尔率领一批欧盟公民，向位于斯特拉斯堡的欧洲人权法院起诉CERN，称大型强子对撞机对于欧盟的27个成员国及其公民构成严重的风险。诉状即日被法院驳回。[75][54][58]

而后在2009年，律师埃里克·约翰逊在《田纳西法律评论》上评述了此时的法律情况[104][105][106]。只有致力于粒子物理学研究多年的学者才能理解对实验风险复杂的科学论证。但这样的学者由于付出了多年的努力，会不可避免地偏向支持实验的立场。如果这些人威胁到实验的持续，他们也会遭受来自同行严厉的指责。因此在这篇评述中，约翰逊提出：“在这种情况下，就不知道是否应该将粒子物理证词呈送至法庭了。”[107]2010年2月，约翰逊文章的概要在《新科学家》上发表[108]。

2010年2月，德国联邦宪法法院在没有听证的情况下，驳回了要求中止LHC运行的请愿书，宣布原告方没有为自己的主张提供足够有说服力的证据[109]。2011年1月，科隆行政法院驳回了追加的请愿书[110]。而对此裁定的申诉也在2012年10月被北莱茵-威斯特法伦高等行政法院驳回[111]。