Zal 'S Werelds Grootste Supercollider Een Zwart Gat Krijgen? (Op-Ed)

{h1}

Net als scènes uit dc comics 'the flash blijven er geruchten over deeltjesversnellers die rampzalige rampen veroorzaken, maar er zijn concrete redenen waarom natuurkundigen in het echte universum geen enkele nacht slapen.

Don Lincoln is een senior wetenschapper bij Fermilab, het Amerikaanse Department of Energy, de grootste onderzoeksinstelling voor Large Hadron Collider in de Verenigde Staten. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, waaronder zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Blow Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Je kunt hem volgen op Facebook. De meningen hier zijn van hemzelf. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Geavanceerde wetenschap is een verkenning van het onbekende; een intellectuele stap naar de grens van menselijke kennis. Dergelijke studies bieden grote opwinding voor diegenen onder ons die een passie hebben voor het begrijpen van de wereld om ons heen, maar sommigen zijn bang voor het onbekende en vragen zich af of nieuwe en krachtige wetenschap en de faciliteiten waar het wordt onderzocht, gevaarlijk kunnen zijn. Sommigen gaan zelfs zo ver om te vragen of een van de meest ambitieuze onderzoeksprojecten van de mensheid zelfs een existentiële bedreiging kan vormen voor de aarde zelf. Laten we die vraag nu stellen en uit de weg ruimen.

Kan een supercollider het leven op aarde beëindigen? Nee natuurlijk niet.

Maar het is niet echt een domme vraag voor mensen die er niet goed over hebben nagedacht. De Large Hadron Collider (LHC), 's werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller, is tenslotte expliciet een instrument van verkenning, een die is ontworpen om de grenzen van onwetendheid te verleggen. Het is niet zo onredelijk om te vragen hoe je weet dat iets niet gevaarlijk is als je het nog nooit eerder hebt gedaan. Dus hoe kan het dat ik met zoveel vertrouwen kan stellen dat de LHC helemaal veilig is?

Welnu, het korte antwoord is dat kosmische stralen vanuit de ruimte de aarde voortdurend pomuleren met energieën die de LHC in de schaduw stellen. Gezien het feit dat de aarde er nog steeds is, kan er geen gevaar zijn, zo gaat de redenering.

En dat zou wel eens het laatste verhaal kunnen zijn, maar het verhaal is veel rijker dan dat korte (maar zeer nauwkeurige) antwoord je zou doen geloven. Dus laten we een beetje dieper graven in wat sommigen een gevaar doet vermoeden, en dan een vrij gedetailleerde beschrijving van het punt en het contrapunt verkennen, betrokken bij het leveren van een solide en bevredigend antwoord op de vraag.

Kan de LHC een aardmoordenaar zwart gat maken?

Sceptici hebben voorgesteld dat de LHC vele mogelijke gevaren zou produceren, gaande van de vage angst voor het onbekende tot sommigen die vreemd specifiek zijn.

De meest genoemde is het idee dat de LHC een zwart gat kan maken. In de populaire literatuur zijn zwarte gaten vraatzuchtige monstruositeiten van het universum, die alles om zich heen opslokken. Met zo'n afbeelding is het helemaal niet onredelijk voor mensen om zich dan af te vragen of een zwart gat gemaakt door de LHC de gaspedaal, het laboratorium, dan Zwitserland, Europa en uiteindelijk de aarde zou kunnen vernietigen. Dit zou een eng scenario zijn, ware het geloofwaardig - maar dat is het niet.

Wat onmiddellijk volgt, zijn de zwakkere (maar nog steeds dwingende) redenen waarom deze mogelijkheid, nou ja, niet mogelijk is, en in het volgende gedeelte zul je de gietijzeren en vergulde redenen zien om dit en alle andere mogelijke scenario's voor Earth-ending te verwerpen.

De eerste vraag is of er in de LHC zelfs een zwart gat kan worden gecreëerd. Helaas, wanneer we naar al het wetenschappelijke bewijs kijken en ons meest moderne begrip van de wetten van het universum gebruiken, is er geen manier dat de LHC een zwart gat kan maken. Zwaartekracht is eenvoudigweg te zwak om dit te laten gebeuren.

Sommige sceptici protesteren dat een verklaring voor de zwakte van de zwaartekracht is dat er kleine extra dimensies van de ruimte bestaan. Volgens die theorie is de zwaartekracht echt sterk en lijkt ze gewoon zwak omdat de zwaartekracht in de extra dimensies kan "lekken". Zodra we die kleine afmetingen gaan onderzoeken, kan de sterke zwaartekracht misschien een zwart gat maken. Helaas voor liefhebbers van black hole, heeft niemand bewijs gevonden voor het bestaan ​​van extra dimensies, en als ze niet bestaan, kan de LHC geen zwarte gaten maken.

Dus het hele onderliggende idee van dat bepaalde mogelijke gevaar is gebouwd op een afstandsschot. Maar zelfs in het onwaarschijnlijke geval dat extra dimensies echt zijn en een zwart gat kan worden gecreëerd, is er een goede reden om je geen zorgen te maken over zwarte gaten die de aarde beschadigen.

Het schild tegen dat hypothetische gevaar is Hawking-straling. Voorgesteld in 1974 door Steven Hawking, is Hawking-straling in wezen de verdamping van een zwart gat veroorzaakt door zijn interacties met deeltjes gevormd in de nabijheid van het gat. Terwijl zwarte gaten omringend materiaal absorberen en groeien, verliest een geïsoleerd zwart gat langzaam massa.

Het mechanisme is een kwantummechanisch mechanisme, waarbij paren deeltjes worden gemaakt in de buurt van het oppervlak van het gat. Eén deeltje gaat het gat in, maar de ander zal ontsnappen en energie wegnemen. Omdat volgens Einstein's theorie van algemene relativiteit, energie en massa hetzelfde zijn, heeft dit proces het effect dat de massa van het zwarte gat heel langzaam afneemt. Hoewel één deeltje het gat binnengaat, resulteert het verlies van de andere in het gat dat langzaam verdampt. Dit is een lastig punt. De meeste mensen denken aan een zwart gat als de massa in het midden, maar het is feitelijk zowel de massa in het midden als de energie opgeslagen in het zwaartekrachtveld.Het deeltje dat naar het midden inzoomt, beweegt zich gewoon in het zwarte gat rond, terwijl het deeltje dat naar buiten beweegt helemaal uit het zwarte gat ontsnapt. Zowel de massa van het ontsnappende deeltje als de energie die het draagt, gaat verloren voor het zwarte gat, waardoor de energie van het hele zwarte gatenstelsel wordt verminderd.

En de snelheid waarmee een gat verdampt, is een sterke functie van de grootte van het gat. Een groot zwart gat zal heel langzaam energie verliezen, maar een klein beetje zal in een oogwenk verdampen. In feite kan elk zwart gat dat de LHC mogelijk maakt, via welke theorie dan ook, verdwijnen voordat het in de buurt van een andere zaak kan komen om op te scheppen.

Een simulatie van een deeltjesbotsing in de Large Hadron Collider, 's werelds grootste deeltjesversneller nabij Genève, Zwitserland. Wanneer twee protonen in de machine botsen, creëren ze een energetische explosie die aanleiding geeft tot nieuwe en exotische deeltjes.

Een simulatie van een deeltjesbotsing in de Large Hadron Collider, 's werelds grootste deeltjesversneller nabij Genève, Zwitserland. Wanneer twee protonen in de machine botsen, creëren ze een energetische explosie die aanleiding geeft tot nieuwe en exotische deeltjes.

Credit: CERN

Vreemde strangelets

Een ander voorgesteld gevaar is een ding dat een strangelet wordt genoemd. Een strangelet is een hypothetisch subatomair deeltje dat bestaat uit ongeveer een gelijk aantal opwaartse, neerwaartse en vreemde quarks.

Let wel, er is geen bewijs dat strangelets iets anders zijn dan een idee geboren in de vruchtbare verbeelding van een theoretisch fysicus. Maar als ze bestaan, is de bewering dat een strangelet in wezen een katalysator is. Als het van invloed is op gewone materie, zal het ervoor zorgen dat de materie die het raakt ook in een strangelet verandert. Als je het idee tot zijn logische conclusie volgt, als een strangelet op aarde gemaakt zou worden, zou het resulteren in het instorten van de hele planeet in een bal van materie gemaakt van strangelets... zoiets als de aarde veranderen in een exotische versie van neutronenster. In essentie kan een strangelet worden gezien als een subatomaire zombie; een die alles wat het raakt in een andere strangelet-zombie verandert.

Maar er is geen bewijs dat strangelets echt zijn, dus dat kan genoeg zijn om te voorkomen dat sommige mensen zich zorgen maken. Het is echter nog steeds waar dat de LHC een ontdekkingsmachine is en misschien een strangelet kan maken... nou ja, als ze echt bestaan. Strangeletten zijn immers niet definitief uitgesloten en sommige theorieën bevoordelen hen. Echter, een eerdere deeltjesversneller genaamd de Relativistische Heavy Ion Collider ging op zoek naar hen en kwam leeg.

Dat zijn maar twee ideeën voor hoe een superscoller een bedreiging kan vormen en er zijn er meer. We zouden alle mogelijke gevaren kunnen opsommen, maar er is nog iets verontrustends om in gedachten te houden: omdat we niet weten wat er gebeurt met materie wanneer we het beginnen te bestuderen met energieën, alleen mogelijk met de LHC (dat is natuurlijk de punt van het bouwen van de versneller), zal er misschien iets gebeuren dat nooit is voorspeld. En, gezien onze onwetendheid, misschien is dat onverwachte fenomeen gevaarlijk.

En het is die laatste zorg die potentieel verontrustend was voor de makers van de LHC. Als je niet weet wat je niet weet, dan... nou... je weet het niet. Zo'n vraag vereist een krachtig en definitief antwoord. En hier is het...

Waarom de LHC helemaal veilig is

Gezien de verkennende aard van het LHC-onderzoeksprogramma, is er behoefte aan een ijzersterke reden die aantoont dat de faciliteit veilig is, zelfs als niemand weet wat de LHC zou kunnen tegenkomen.

Zwarte gaten zijn vreemde gebieden waar de zwaartekracht sterk genoeg is om licht te buigen, ruimte te verdraaien en de tijd te verdraaien.

Zwarte gaten zijn vreemde gebieden waar de zwaartekracht sterk genoeg is om licht te buigen, ruimte te verdraaien en de tijd te verdraaien.

Krediet: Karl Tate / Space.com

Gelukkig hebben we het meest overtuigende antwoord: de natuur heeft het equivalent van ontelbare LHC-experimenten uitgevoerd sinds het universum begon - en dat nog steeds doet, elke dag op aarde.

De ruimte is een gewelddadige plaats, met sterren die elke seconde letterlijk tonnen materiaal afwerpen - en dat is het meest typische fenomeen. Supernova's komen voor en blazen sterrenspullen door de kosmos. Neutronensterren kunnen intense magnetische velden gebruiken om deeltjes van de ene kant van het universum naar een andere te versnellen. Paren van in een baan ronddraaiende zwarte gaten kunnen samensmelten en de structuur van de ruimte zelf doen schudden.

Al deze verschijnselen, evenals vele andere, zorgen ervoor dat subatomaire deeltjes door de ruimte worden geslingerd. Meestal bestaande uit protonen, die deeltjes reizen de lengtes van het universum, stoppen alleen als een onaangenaam stukje materie hun in de weg loopt.

En soms is dat onaangename deel van de materie de aarde. We noemen deze intergalactische kogels - meestal protonen met hoge energie - "kosmische straling". Kosmische stralen dragen een bereik van energieën, van het bijna verwaarloosbare, tot energieën die absoluut die van de LHC onderkruisen.

Om een ​​gevoel van schaal te geven, botst de LHC deeltjes samen met een totale energie van 13 biljoen (of tera) elektronvolt van energie (TeV). De meest energieke kosmische straal ooit opgetekend, was een onpeilbare 300.000.000 TeV aan energie.

Nu zijn kosmische stralen van die wonderbaarlijke energie zeer zeldzaam. De energie van meer gebruikelijke kosmische stralen is veel lager. Maar hier is het punt: Kosmische stralen van de energie van een enkele LHC-straal troffen de aarde ongeveer een halve miljard keer per seconde. Geen collider nodig.

Onthoud dat kosmische stralen meestal protonen zijn. Dat komt omdat bijna alle materie in het universum waterstof is, dat uit een enkel proton en een enkel elektron bestaat. Wanneer ze de atmosfeer van de aarde raken, botsen ze met stikstof of zuurstof of andere atomen, die zijn samengesteld uit protonen en neutronen. Dienovereenkomstig zijn kosmische stralen die de aarde raken slechts twee protonen die samen dichtslaan - dit is precies wat er gebeurt in de LHC. Twee protonen die samen dichtslaan.

Dus het spervuur ​​van kosmische straling vanuit de ruimte doet het equivalent van LHC-onderzoek sinds de aarde begon - we hebben gewoon niet de luxe gehad om te kunnen kijken.

Nu moet je voorzichtig zijn. Het is gemakkelijk om nummers een beetje rond te gooien.Hoewel er veel kosmische stralen zijn die de atmosfeer met LHC-energieën raken, zijn de situaties tussen wat er in de LHC gebeurt en wat er met kosmische stralen overal ter wereld gebeurt, een beetje anders.

Kosmische straalbotsingen hebben betrekking op snel bewegende protonen die stationaire protonen raken, terwijl LHC-botsingen twee bundels van snel bewegende protonen met zich meebrengen. Frontale botsingen zijn intrinsiek gewelddadiger; dus om een ​​eerlijke vergelijking te maken, moeten we kosmische stralen overwegen die veel hoger zijn in energie, specifiek ongeveer 100.000 keer hoger dan LHC-energieën.

Kosmische stralen van die energie zijn zeldzamer dan de lagere energieën, maar toch raken 500.000.000 van hen elk jaar de atmosfeer van de aarde.

Wanneer je je herinnert dat de aarde 4,5 miljard jaar oud is, besef je dat de aarde iets heeft meegemaakt van 2 miljard miljard kosmische straalbotsingen met LHC-equivalente energieën (of hoger) in de atmosfeer sinds de aarde is gevormd. Om zoveel botsingen te maken, moeten we de LHC 70 jaar lang onafgebroken laten draaien. Gegeven dat we er nog steeds zijn, kunnen we concluderen dat we veilig zijn.

Maar om absoluut zeker te zijn...

Het argument van de kosmische straling is fantastisch, omdat het onafhankelijk is van elk mogelijk LHC-gevaar, inclusief gevaren die we ons nog niet hebben voorgesteld. Er is echter een maas in de wet die de sterkte van het argument potentieel vermindert. Omdat botsingen tussen kosmische stralen plaatsvinden tussen een snel bewegend en een stationair proton, wordt het "gevaarlijke" deeltje (wat dat dan ook is) met hoge snelheid geproduceerd en kan het uit de aarde schieten voordat het de tijd heeft om het te beschadigen. (Het is net als in biljart wanneer een speelbal een andere bal raakt.) Na de impact gaan minstens één en vaak beide vliegen.) De LHC-stralen daarentegen botsen op elkaar en maken stilstaande objecten. (Denk aan twee identieke auto's met identieke snelheden die het op zich nemen.) Misschien blijven ze hangen en maken ze bloedbad op de aardbol.

Maar daar is ook een antwoord op. Ik koos de aarde omdat het ons nabij is en ons dierbaar is, maar de aarde is niet het enige dat geraakt wordt door kosmische stralen. De zon wordt ook geraakt; en wanneer een kosmische straal de zon raakt, kan het een hoogenergetisch "gevaarlijk" product zijn, maar dat product moet dan door een veel grotere hoeveelheid materie reizen. En dit houdt geen rekening met dat de zon is veel groter dan de aarde, dus het ervaart veel meer botsingen van hoge energie dan onze planeet.

Verder kunnen we het aantal kosmische doelen uitbreiden met neutronensterren, die bestaan ​​uit materie die zo dicht is dat wat mogelijk gevaarlijk is dat we zouden kunnen overwegen, dood zal blijven in de neutronenster direct nadat het is gemaakt. En toch zijn de zon en de neutronensterren die we in het universum zien er allemaal nog steeds. Ze zijn niet verdwenen.

Veiligheid verzekerd!

Dus dat argument is de bottom line. Als je vraagt ​​of de LHC veilig is, moet je je realiseren dat het universum de experimenten al voor ons heeft gedaan.

Als u een actueel expert bent - onderzoeker, zakelijk leider, auteur of innovator - en een nieuw stuk wilt bijdragen, e-mail ons hier.

Als u een actueel expert bent - onderzoeker, zakelijk leider, auteur of innovator - en een nieuw stuk wilt bijdragen, e-mail ons hier.

Kosmische stralen troffen de aarde, de zon, andere sterren en alle ontelbare bewoners van het universum met energieën die veel groter waren dan die van de LHC. Dit gebeurt de hele tijd. Als er gevaar was, zouden we sommige van deze objecten voor onze ogen zien verdwijnen. En toch doen we dat niet. We kunnen dus concluderen dat wat er ook gebeurt in de LHC, het precies, precies, ontegenzeggelijk, nul Gevaar. En je mag het cruciale punt niet vergeten dat dit argument werkt voor alle denkbare gevaren, inclusief die dingen die nog niemand heeft gedacht.

Dus nadat de ijzeren veiligheid van de LHC was vastgesteld, wat dan? Nou, we hopen absoluut dat we do maak zwarte gaten in de LHC - zoals uitgelegd, zouden ze klein zijn en niet op de planeet schrokken. Als we kleine zwarte gaten zien, hebben we ontdekt waarom de zwaartekracht zo zwak lijkt. We hebben waarschijnlijk vastgesteld dat er extra ruimtematen bestaan. We zullen zoveel dichter bij het vinden van een theorie van alles zijn, een theorie die zo overtuigend, eenvoudig en beknopt is dat we zijn vergelijking kunnen schrijven op een T-shirt.

Hoewel we er nu van verzekerd zijn dat de LHC volkomen veilig is, is het absoluut waar dat de veiligheidskwestie belangrijk was voor wetenschappers om te onderzoeken. In feite was de hele oefening bevredigend, omdat het de beste wetenschappelijke principes gebruikte om tot een definitieve conclusie te komen die iedereen kan overeenkomen, is geldig. Dus nu kunnen we de grenzen van onze onwetendheid verleggen, met alleen onze toenemende opwinding over het vooruitzicht van een ontdekking om ons af te leiden.

Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en deel uitmaken van de discussie - op Facebook, Twitter en Google+. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever. Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Andrea Ghez: The hunt for a supermassive black hole.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com