„Mam nadzieję, że tworzysz czarne dziury” — powiedział Stephen z szerokim uśmiechem.
Wychodzimy z windy towarowej, która zabierze nas pod ziemię do pięciopiętrowej jaskini, w której znajduje się eksperyment Atlas w laboratorium CERN, legendarnej europejskiej organizacji zajmującej się badaniami jądrowymi w pobliżu Genewy. Dyrektor generalny CERN, Rolf Heuer, szurał nogami niespokojnie. Był rok 2009 i ktoś złożył pozew w Stanach Zjednoczonych, obawiając się, że nowo wybudowany w CERN Wielki Zderzacz Hadronów, LHC, wyprodukuje czarne dziury Albo jakaś inna forma obcej materii, która mogłaby zniszczyć Ziemię.
LHC to akcelerator cząstek w kształcie pierścienia, zbudowany przede wszystkim w celu wytworzenia bozonu Higgsa, brakującego ogniwa – w tamtym czasie – w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych. Zbudowany w tunelu pod granicą szwajcarsko-francuską, o całkowitym obwodzie 27 kilometrów (prawie 17 mil), przyspiesza protony i antyprotony biegnące w przeciwobrotowych wiązkach w okrągłych rurach próżniowych do 99,9999991% Prędkość światła. W trzech miejscach wzdłuż pierścienia wiązki przyspieszonych cząstek można skierować w wysokoenergetyczne zderzenia, odtwarzając warunki podobne do tych panujących we wszechświecie ułamek sekundy po gorącym Wielkim Wybuchu, kiedy temperatura wynosiła ponad 1,000 000 000 stopni. Ścieżki cząstek powstałych w tych gwałtownych zderzeniach są rejestrowane przez miliony czujników, które są ułożone jak małe klocki Lego, tworząc gigantyczne detektory, w tym detektor ATLAS i Compact Muon Solenoid (CMS).
Pozew został szybko oddalony na tej podstawie, że „spekulacyjna obawa przyszłej szkody nie stanowi w rzeczywistości wystarczającej szkody, aby przyznać dopuszczalność”. W listopadzie tego samego roku LHC został pomyślnie włączony — po eksplozji we wcześniejszej próbie — a detektory ATLAS i CMS wkrótce odnalazły ślady bozonu Higgsa we szczątkach zderzeń cząstek. Ale jak dotąd LHC nie stworzył czarnych dziur.
Dlaczego nie było całkowicie nierozsądne, że Stephen – i Hoyer też, jak sądzę – miał nadzieję, że czarne dziury mogą być produkowane w Wielkim Zderzaczu Hadronów? Zwykle myślimy o czarnych dziurach jako o zapadniętych pozostałościach masywnych gwiazd. Ten widok jest jednak bardzo ograniczony i wszystko może zamienić się w czarną dziurę, jeśli zostanie skompresowane do wystarczająco małego rozmiaru. Nawet pojedyncza para protonów i antyprotonów przyspieszona do prędkości bliskiej prędkości światła i zderzona razem w potężnym akceleratorze cząstek utworzyłaby czarną dziurę, gdyby zderzenie skupiło wystarczającą ilość energii w wystarczająco małej objętości. Z pewnością byłaby to mini czarna dziura o przejściowym istnieniu, ponieważ natychmiast wyparowałaby w wyniku emisji Promieniowanie Hawkinga.
Jednocześnie, jeśli spełni się nadzieja Stephena i Hoyera na wytworzenie czarnych dziur, będzie to oznaczać koniec trwającej od dziesięcioleci misji fizyków cząstek elementarnych, by badać naturę na krótszych odległościach poprzez zderzanie cząstek o coraz większej energii. Jednak zderzacze cząstek przypominają mikroskopy powaga Wydaje się, że nakłada to fundamentalne ograniczenie na jego dokładność, ponieważ prowadzi do powstania czarnej dziury, gdy za bardzo zwiększymy energię, próbując zajrzeć do coraz mniejszych rozmiarów.
W tym momencie dodanie większej ilości energii spowoduje powstanie większej czarnej dziury niż zwiększenie siły wzmocnienia zderzacza. Co dziwne, czarne dziury i grawitacja całkowicie odwracają powszechne w fizyce myślenie, że wyższe energie krążą na krótszych dystansach. Punktem końcowym w budowaniu coraz większych akceleratorów wydaje się nie być najmniejszy element konstrukcyjny — największe marzenie każdego redukcjonisty — ale utworzenie wyłaniającej się makroskopowo zakrzywionej czasoprzestrzeni. Wracając do krótkich i długich dystansów, Grawitacja kpi z głęboko zakorzenionego poglądu, że struktura rzeczywistości fizycznej jest eleganckim systemem zazębiających się łusek, które możemy odrywać jedna po drugiej, aby dotrzeć do najmniejszego, podstawowego elementu. Grawitacja – a więc i sama czasoprzestrzeń – wydaje się mieć element antyredukujący.
Więc w jakiej skali mikroskopowej fizyka cząstek elementarnych bez grawitacji zamienia się w fizykę cząstek elementarnych z grawitacją? (Innymi słowy, ile kosztowałoby zrealizowanie marzenia Stephena o produkcji czarnych dziur?) Jest to pytanie związane z unifikacją wszystkich sił, tematem tego rozdziału. Poszukiwanie ujednoliconych ram, które obejmowałyby wszystkie podstawowe prawa natury, było rzeczywiście marzeniem Einsteina. Ma to bezpośredni wpływ na to, czy wieloświatowa nauka naprawdę ma potencjał, aby zaoferować alternatywną perspektywę na ulepszający życie projekt naszego wszechświata. Tylko zrozumienie, w jaki sposób wszystkie cząstki i siły pasują do siebie harmonijnie, może prowadzić do dalszego wglądu w wyjątkowość – lub jej brak – leżących u podstaw praw fizycznych, a następnie na jakim poziomie można by oczekiwać, że będą się różnić w całym multiwersie.
Przyjęty z brak czasu. Copyright © 2023 by Thomas Hertog.
Opublikowane przez Bantam, wydawnictwo Penguin Random House.
„Kawioholik. Fanatyk alkoholu na całe życie. Typowy ekspert podróży. Skłonny do napadów apatii. Internetowy pionier”.
More Stories
Łazik Curiosity NASA wykrywa oznaki środowiska podobnego do Ziemi na starożytnym Marsie
Badanie „kosmicznej nierównowagi” grawitacji
Czy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba naprawdę odkrył życie pozaziemskie? Naukowcy nie są co do tego tacy pewni