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超越了CERNageddon

大型强子对撞机能在全功率下产生黑洞吗?欧洲核子研究中心调查。

这是瑞士日内瓦一个阳光明媚的夏日。情侣们在欧喷气式飞机附近拥吻时,鸟儿们在歌唱。埃里克·万斯著

这是瑞士日内瓦一个阳光明媚的夏日。情侣们在欧喷气式飞机附近拥吻时,鸟儿们在歌唱。在某个地方,有人听电子音乐的声音有点太大了。

附近,在地下570英尺的地方,大型强子对撞机(LHC)以全速运转,将铅原子推至接近光速的速度,然后将它们撞向质子,观察它们是如何爆炸的。这条17英里长的隧道在6千分之一英寸宽的碰撞点产生14万亿电子伏特。它是迄今为止人类制造的最大、最强大的机器,也是21世纪的标志性科学实验。

突然,地面开始隆隆作响。它摇晃着,然后被撕裂,就像被内心深处的怪物撕裂了一样。还没到尖叫的时候,地球就崩溃了——被速度惊人的恋人、喷泉和电子音乐拉向内部,进入曾经是地球核心的可怕的黑暗深渊。几秒钟后,一切都结束了。地球已经蒸发成一个空虚的黑色虚无。

这是2008年物理学家们看到的世界末日场景,当时大型强子对撞机正在加速进行第一次运行。新闻报道对世界末日的情景极度着迷,公众真的担心人类即将创造出微小的黑洞或其他奇异的物质,这些物质可能会在几秒钟内毁灭世界。

几乎所有的物理学家都说,这种情况不太可能发生。据我们所知,黑洞是当一颗大质量恒星燃烧完所有的燃料后,在一次巨大的内爆中坍缩时形成的——而不是当亚原子粒子高速碰撞在一起时。尽管不太可能,但它的前景触动了我们所有人——整个星球。有了如此高的风险,风险的概念就有了全新的含义。因此,物理学家通过一系列三件不太可能发生的事件来研究《启示录》假说:首先,微小的黑洞可以形成;它们可以持续超过一毫秒;它们可以留在附近,吞噬附近的一切。

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公众真的很担心人类会创造出微小的黑洞,或者其他奇异的物质,这些物质可能会在几秒钟内毁灭这个世界。

芝加哥附近费米实验室的物理学家唐·林肯说,第一个不太可能发生的事件——创造一个超小黑洞——将是一个启示。如果这在科学上是可能的,他会很高兴的。"天啊,我会像小狗一样扭来扭去。有人会因为这个去斯德哥尔摩的,”他说。“如果它们形成了,我们可以学到一些深刻而深刻的东西,对我们理解宇宙是如何形成的非常重要。”

所谓的“某种东西”就是我们宇宙中通常存在的四个维度(三个空间维度加上时间维度)之外的非常小的额外维度。很难想象一个微缩的维度会是什么样子,或者它是如何运作的,但理论家们已经用这个概念来解释为什么我们的宇宙中的引力是如此的弱(理论上,它应该更强)。但对于黑洞来说,引力就是一切。从理论上讲,如果宇宙中隐藏着5到7个维度,一个微小的黑洞可能会在几分之一秒内被挤压出来。

这就是第二个不太可能发生的事件发挥作用的地方。据我们所知,黑洞释放出一种名为霍金辐射的弱能量,以斯蒂芬·霍金的名字命名。然而,记住爱因斯坦证明了质量等于能量,所以你不能失去一个而不失去另一个。因此,如果微小的黑洞能够诞生,它们就会立即消失。

但让我们暂时假设爱因斯坦和霍金要么是错的,要么就是不理解无限小多维宇宙的物理。还有第三个不太可能发生的事件:这个极小的黑洞一定会吞噬它周围的一切。但与黑洞相比,附近的原子是巨大的,所以它找不到“食物”来吃。

这不是物理学家第一次思考粒子引发的世界末日。1979年,伯克利的一群科学家想知道他们在加州山上新改装的对撞机是否会造成某种威胁。他们认为地球的存在证明了它不存在。

他们的理由是,地球和宇宙中的其他一切都不断地受到宇宙射线的冲击,这些射线本质上是带电粒子,与大型强子对撞机使用的粒子没有什么不同。科学家们认为,一个粒子撞击地球和两个粒子撞击彼此之间没有太大区别。经过数十亿年的宇宙轰炸,没有黑洞或其他奇怪的物质摧毁我们的星球;因此,三个不太可能发生的事件中,至少有一个是不可能发生的。例如,黑洞可能确实是由这种碰撞形成的,但即使它们真的形成了,它们也可能会以同样的方式,比如中微子,在不接触任何原子的情况下,爆炸到太空中,对人体无害。

直到20世纪90年代末期,这种观点才开始流行。当时,大型强子对撞机的前身——相对论重离子对撞机(RHIC,发音为“Rick”)在纽约州萨福克投入使用。当科学家们考虑潜在的危险时,安全理论出现了两个小裂缝。第一个来自传奇的黑洞物理学家威廉·安鲁(William Unruh),他说,如果进一步扭曲我们对黑洞的了解,霍金辐射可能实际上并不存在。当然,他告诉纽约时报物理学“真的,真的很奇怪”才能让它起作用。这就像明天醒来发现重力不再起作用,或者陆地和海洋交换了位置。尽管如此,欧洲核研究组织(CERN)成立了一个小组来调查这些危险,并让整个世界末日的事业停止。

如果微小的黑洞能够诞生,它们就会立即消失。

负责这项研究的欧洲核子研究中心物理学家米开朗基罗·曼加诺(Michelangelo Mangano)很快意识到模型中还有第二个缺陷——即大型强子对撞机的光束实际上与宇宙射线不同。撞击地球的宇宙射线的行为类似于一列高速行驶的火车撞到一辆停着的汽车——两者都大致朝火车行驶的方向倾斜。但大型强子对撞机实际上会让两列火车迎头相撞,这将导致它们在受到异常强大的打击后原地停止。把这个比喻转换成对撞光束,如果一个黑洞形成了,它不会无害地冲向太空,而是可能会坐在那里,与附近的原子相互作用,最终吞噬它周围的一切。

为了研究高速粒子像火车一样迎头相撞时会发生什么,Mangano需要一个试验场——在银河系的某个地方,这些粒子会相互撞击并嘎然而止。中子星符合这个条件,他决定。中子星是一种坍缩的大质量恒星,它的引力如此之强,以至于任何宇宙射线击中它都会停止,就像火车撞到山一样。如果黑洞能够形成,如果它们没有立即膨胀,那么它们就会留在原地,吞噬中子星。因此,曼加诺推断,中子星的存在证明了这种微型黑洞并不存在。

曼加诺联系了弦理论家史蒂文·吉丁斯,并征求了他的意见。吉丁斯是最早提出黑洞不可能被创造的论文之一。他震惊地发现,吉丁斯的想法反映了他自己的想法,他也把中子星看作一个试验场。他们成双成对,开始合作。

他们很快就意识到这项工作有多难。他们不仅要了解中子星(密度超大的物体,有伦敦那么大,质量是太阳的两倍)的物理学,还要了解不同类型的宇宙射线和微小的理论黑洞的行为。“这非常令人兴奋,”曼加诺说。“这就像回到了研究生时代,每天打开一本书,都会看到一些新的东西。但要以一个经验丰富的研究人员的智慧来做。”

他们的许多同事认为他们追逐幽灵是在浪费时间,但这两个人坚持了几个月,直到他们突然碰壁。他们意识到中子星的引力太大了,以至于宇宙粒子无法以任何速度穿透。从本质上讲,一旦一个粒子靠近恒星,它的速度就会减慢很多,无法以类似lhc的能量撞击其他粒子。他们所有的工作都白费了。

“这不仅令人失望,而且非常令人沮丧。那是一个可怕的时刻。我们进行了数次计算,只是为了确保情况确实如此。”“这是一个巨大的心碎,因为我们以为我们结束了。”

与黑洞相比,附近的原子将是巨大的,所以它不会找到“食物”来消费。

所以,吉丁斯和曼加诺振作起来,重新开始。这一次,科学家选择了白矮星作为他们的模型。白矮星是一种坍缩恒星,体积和地球差不多,质量和太阳差不多。白矮星的密度足以阻止一个倾斜的小黑洞,但强度还不足以阻止碰撞的发生。这对搭档深入研究,发现了八颗质量合适的白矮星,它们存在的时间足够长,足以确定由粒子碰撞形成的小黑洞不会吞噬它们。白矮星的存在——尤其是那8颗——尽管经过了1亿年的宇宙射线撞击,证明了大型强子对撞机是安全的。

经过一年的研究,2008年,Giddings和Mangano发表了“假设稳定的tev尺度黑洞的天体物理意义”物理评论D.CERN还发布了两份报告,总结了他们的结果,每份报告都比上一份更有信心。这些论文得到的是一种既宽慰又欣喜的感觉——与其说世界是安全的,不如说LHC的资金是安全的,而且整个混乱局面已经结束了。天体物理学家Rainer Plaga确实提出了一些问题,但除此之外,这篇论文让科学界感到轻松。

然而,这并不一定能说服世界其他国家。几位直言不讳的反对者,没有强大的科学凭据,试图起诉停止实验,但所有的案件都因技术问题或缺乏管辖权而被驳回。这揭示了一个更平凡但更实际的问题:这样的审判会是什么样的?目前还不清楚,因为作为一个类似于联合国的跨国合作伙伴,CERN不受大多数欧洲法律的约束。此外,为这样的审判找到独立的声音是很棘手的,埃里克·约翰逊(Eric Johnson)说,他是一名律师,写了一份详细的法律情况审查报告。

“科学探究是由实验的项目进度驱动的。我认为你可以说,它不是独立的,在不同程度上是由与此事有关的人完成的,”约翰逊说,并补充说,他不担心灾难,但更感兴趣的是法律难题。“从法律的角度来看,这正是我觉得有趣的地方:法院和律师应该如何处理这个问题。”

哲学上的问题也依然存在,因为从本质上来说,证明一个否定是不可能的。我们如何证明每天都有自然宇宙射线撞击地球,不会在明天毁灭地球呢?这同样适用于大型强子对撞机的粒子,但在某种程度上,我们必须放弃“如果我们对物理学的所有了解都是错误的,该怎么办?”,并期待LHC可能很快带来的惊人发现。对撞机将在2015年初全速运行。

“尽管这听起来像是一件可怕的事情,”费米实验室的林肯说,“是的,我想看到黑洞的形成。”他期待着21世纪的突破性发现。“不管我们发现了什么——我真的希望我们能找到5个奇怪的东西,不管它们是什么——都不会有危险。”


科学作家埃里克·万斯(Erik Vance)住在墨西哥城,曾为《纽约时报》撰写文章发现哈泼斯杂志,纽约时报.他害怕蜘蛛、闪电和大鱼。但黑洞不是。

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