Wird Der Größte Supercollider Der Welt Ein Schwarzes Loch Hervorbringen? (Op-Ed)

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Wie szenen aus dc comics the flash gibt es weiterhin gerüchte über teilchenbeschleuniger, die katastrophen mit erdende auslösen. Es gibt jedoch konkrete gründe, warum physiker im realen universum keinen schlaf verlieren.

Don Lincoln ist leitender Wissenschaftler am Fermilab des US-Energieministeriums, der größten US-amerikanischen Large Hadron Collider-Forschungseinrichtung. Er schreibt auch über Wissenschaft für die Öffentlichkeit, einschließlich seines jüngsten "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und andere Dinge, die Sie umhauen werden" (Johns Hopkins University Press, 2014). Sie können ihm auf Facebook folgen. Die Meinungen hier sind seine eigenen. Lincoln hat diesen Artikel zu WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.

Spitzenwissenschaft ist eine Erforschung des Unbekannten; ein intellektueller Schritt an die Grenze des menschlichen Wissens. Solche Studien sind für diejenigen von uns eine große Aufregung, die leidenschaftlich daran interessiert sind, die Welt um uns herum zu verstehen, aber manche sind besorgt über das Unbekannte und fragen sich, ob neue und mächtige Wissenschaft und die Einrichtungen, in denen sie erforscht wird, gefährlich sein könnten. Einige fragen sogar, ob eines der ehrgeizigsten Forschungsprojekte der Menschheit sogar eine existenzielle Bedrohung für die Erde darstellen könnte. Also lasst uns diese Frage jetzt stellen und sie aus dem Weg schaffen.

Kann ein Supercollider das Leben auf der Erde beenden? Nein natürlich nicht.

Aber für Leute, die nicht sorgfältig darüber nachgedacht haben, ist das keine wirklich dumme Frage. Schließlich ist der Large Hadron Collider (LHC), der größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt, explizit ein Instrument der Erkundung, das die Grenzen der Ignoranz zurückschieben soll. Es ist nicht so unvernünftig zu fragen, woher man weiß, dass etwas nicht gefährlich ist, wenn man es noch nie getan hat. Wie kann ich also mit so viel Sicherheit sagen, dass der LHC absolut sicher ist?

Nun, die kurze Antwort ist, dass kosmische Strahlen aus dem Weltraum ständig die Erde mit Energien schlagen, die die des LHC in den Schatten stellen. In Anbetracht der Tatsache, dass die Erde immer noch da ist, kann es keine Gefahr geben.

Und das könnte die letzte Geschichte sein, aber die Geschichte ist viel reicher als diese kurze (aber sehr genaue) Antwort Sie glauben machen würde. Lassen Sie uns ein wenig tiefer in das eintauchen, was manche Menschen zu einer Gefahr machen, und dann eine ziemlich ausführliche Beschreibung des Punktes und des Kontrapunkts, der eine solide und befriedigende Antwort auf die Frage mit sich bringt.

Kann der LHC ein schwarzes Loch auf der Erde schaffen?

Skeptiker haben vorgeschlagen, dass der LHC viele mögliche Gefahren hervorruft, von der unbestimmten Angst vor dem Unbekannten bis zu einigen, die merkwürdig spezifisch sind.

Am häufigsten wird die Idee erwähnt, dass der LHC ein schwarzes Loch bilden kann. In der populären Literatur sind schwarze Löcher Monstrositäten des Universums, die alles um sich herum verschlingen. Angesichts einer solchen Darstellung ist es keineswegs unvernünftig, sich zu fragen, ob ein schwarzes Loch, das vom LHC geschaffen wurde, das Gaspedal, das Labor, die Schweiz, Europa und schließlich die Erde zerstören könnte. Dies wäre ein beängstigendes Szenario, wenn es glaubwürdig wäre - aber es ist nicht so.

Was folgt, sind die schwächeren (aber immer noch zwingenden) Gründe, warum diese Möglichkeit nicht möglich ist. Im nächsten Abschnitt werden Sie die gusseisernen und vergoldeten Gründe sehen, um dieses und alle anderen möglichen Szenarien zu beenden.

Die erste Frage ist, ob am LHC überhaupt ein schwarzes Loch entstehen kann. Wenn wir alle wissenschaftlichen Beweise betrachten und unser modernstes Verständnis der Gesetze des Universums anwenden, gibt es keine Möglichkeit, dass der LHC ein schwarzes Loch bilden kann. Die Schwerkraft ist einfach zu schwach, um dies zu erreichen.

Einige Skeptiker behaupten, dass eine Erklärung für die Schwäche der Schwerkraft darin besteht, dass winzige zusätzliche Dimensionen des Weltraums existieren. Nach dieser Theorie ist die Schwerkraft wirklich stark und scheint nur schwach zu sein, da die Schwerkraft in die zusätzlichen Dimensionen "lecken" kann. Wenn wir anfangen, diese winzigen Dimensionen zu untersuchen, könnte die starke Schwerkraft möglicherweise ein schwarzes Loch bilden. Leider hat niemand für Liebhaber schwarzer Löcher Beweise für die Existenz zusätzlicher Dimensionen gefunden, und wenn sie nicht existieren, kann der LHC keine schwarzen Löcher machen.

Die gesamte zugrunde liegende Idee dieser besonderen möglichen Gefahr ist also auf lange Sicht aufgebaut. Doch selbst in dem unwahrscheinlichen Fall, dass zusätzliche Dimensionen real sind und ein schwarzes Loch geschaffen werden kann, gibt es einen guten Grund, sich keine Sorgen um schwarze Löcher zu machen, die die Erde beschädigen.

Der Schild gegen diese hypothetische Gefahr ist Hawkingstrahlung. Die Hawking-Strahlung, die 1974 von Steven Hawking vorgeschlagen wurde, ist im Wesentlichen die Verdampfung eines Schwarzen Lochs, das durch seine Wechselwirkungen mit Partikeln in der Nähe des Lochs verursacht wird. Während Schwarze Löcher umgebendes Material absorbieren und wachsen, verliert ein isoliertes schwarzes Loch langsam an Masse.

Der Mechanismus ist ein quantenmechanischer Mechanismus, bei dem Partikelpaare in der Nähe der Oberfläche des Lochs hergestellt werden. Ein Partikel wird in das Loch eindringen, aber das andere wird entweichen und Energie mitreißen. Da nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie Energie und Masse gleich sind, bewirkt dieser Prozess eine sehr langsame Verringerung der Masse des Schwarzen Lochs. Obwohl ein Partikel in das Loch eindringt, verdampft das Loch langsam. Dies ist ein schwieriger Punkt. Die meisten Menschen denken an ein schwarzes Loch als Masse im Zentrum, aber es handelt sich tatsächlich sowohl um die Masse im Zentrum als auch um die im Gravitationsfeld gespeicherte Energie.Die Partikel, die auf die Mitte herunterzoomen, bewegen sich nur im Schwarzen Loch, während das Partikel, das sich herausbewegt, dem Schwarzen Loch vollständig entgeht. Sowohl die Masse des austretenden Teilchens als auch die von ihm getragene Energie gehen an das Schwarze Loch verloren, wodurch die Energie des gesamten Schwarzen Lochsystems reduziert wird.

Und die Geschwindigkeit, mit der ein Loch verdampft, hängt stark von der Größe des Lochs ab. Ein großes schwarzes Loch verliert sehr langsam Energie, ein kleines wird jedoch im Handumdrehen verdunsten. Tatsächlich verschwindet jedes schwarze Loch, das der LHC möglicherweise durch eine mögliche Theorie bilden könnte, bevor es in die Nähe anderer Stoffe gelangen kann, um sich zu verschlingen.

Eine Simulation einer Partikelkollision im Large Hadron Collider, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger in der Nähe von Genf in der Schweiz. Wenn zwei Protonen in der Maschine kollidieren, erzeugen sie eine energetische Explosion, die zu neuen und exotischen Teilchen führt.

Eine Simulation einer Partikelkollision im Large Hadron Collider, dem weltgrößten Teilchenbeschleuniger in der Nähe von Genf in der Schweiz. Wenn zwei Protonen in der Maschine kollidieren, erzeugen sie eine energetische Explosion, die zu neuen und exotischen Teilchen führt.

Bildnachweis: CERN

Seltsame Strangelets

Eine andere vorgeschlagene Gefahr ist eine Sache, die man als Strangelet bezeichnet. Ein Strangelet ist ein hypothetisches subatomares Teilchen, das aus ungefähr einer gleichen Anzahl von Up-, Down- und Fremdquarks besteht.

Allerdings gibt es keinen Beweis dafür, dass Strangelets etwas anderes sind als eine Idee, die in der fruchtbaren Vorstellung eines theoretischen Physikers geboren wurde. Wenn es sie gibt, wird behauptet, dass ein Strangelet im Wesentlichen ein Katalysator ist. Wenn es sich auf gewöhnliche Materie auswirkt, wird es die Angelegenheit, die es berührt, auch in eine Strangelet verwandeln. Nach der Idee bis zu seinem logischen Schluss: Wenn auf der Erde ein Strangelet gemacht würde, würde dies dazu führen, dass der gesamte Planet zu einem Materieball aus Strangelets zusammenbricht… eine Art, als würde man die Erde in eine exotische Version eines Neutronensterns verwandeln. Im Grunde kann man sich eine Strangelet als einen subatomaren Zombie vorstellen. Eine, die alles, was sie berührt, in einen anderen Zombie verwandelt.

Es gibt jedoch keine Beweise dafür, dass Strangelets echt sind, also könnte dies ausreichen, um einige Leute davon abzuhalten, sich Sorgen zu machen. Es ist jedoch immer noch wahr, dass der LHC eine Entdeckungsmaschine ist und vielleicht sogar ein Strangelet werden könnte... wenn es sie wirklich gibt. Strangelets sind schließlich nicht definitiv ausgeschlossen und einige Theorien favorisieren sie. Ein früherer Teilchenbeschleuniger namens Relativistic Heavy Ion Collider suchte jedoch nach ihnen und wurde leer.

Dies sind nur zwei Ideen, wie ein Supercollider eine Bedrohung darstellen könnte, und es gibt noch mehr. Wir könnten alle möglichen Gefahren aufführen, aber es bleibt noch etwas Unbehagliches zu beachten: Da wir nicht wissen, was passiert, wenn wir anfangen, es mit Energien zu studieren, die nur mit dem LHC möglich sind (das ist natürlich der Vielleicht wird etwas passieren, was nie vorhergesagt wurde. Und angesichts unserer Unwissenheit könnte dieses unerwartete Phänomen gefährlich sein.

Und es ist diese letzte Sorge, die die Schöpfer des LHC so beunruhigt haben könnte. Wenn Sie nicht wissen, was Sie nicht wissen, dann... Sie wissen es nicht. Eine solche Frage erfordert eine starke und endgültige Antwort. Und hier ist es…

Warum ist der LHC absolut sicher?

Angesichts des explorativen Charakters des LHC-Forschungsprogramms ist ein eiserner Grund erforderlich, der zeigt, dass die Anlage sicher ist, auch wenn niemand weiß, auf was der LHC treffen könnte.

Schwarze Löcher sind seltsame Regionen, in denen die Schwerkraft stark genug ist, um Licht zu verbiegen, den Raum zu verzerren und die Zeit zu verzerren.

Schwarze Löcher sind seltsame Regionen, in denen die Schwerkraft stark genug ist, um Licht zu verbiegen, den Raum zu verzerren und die Zeit zu verzerren.

Bildnachweis: Karl Tate / Space.com

Glücklicherweise haben wir die überzeugendste Antwort: Die Natur hat seit Beginn des Universums das Äquivalent zahlreicher LHC-Experimente durchgeführt - und tut es jeden Tag auf der Erde.

Der Weltraum ist ein gewalttätiger Ort, in dem Sterne jede Sekunde buchstäblich Tonnen Material wegwerfen - und das ist das unbeschreiblichste Phänomen. Supernovas tauchen auf und strahlen Sternenmaterial durch den Kosmos. Neutronensterne können intensive Magnetfelder verwenden, um Teilchen von einer Seite des Universums zur anderen zu beschleunigen. Paare von umkreisenden schwarzen Löchern können miteinander verschmelzen und das Raumgefüge selbst erschüttern.

Alle diese Phänomene sowie viele andere führen dazu, dass subatomare Teilchen über den Weltraum geschleudert werden. Diese Teilchen bestehen meistens aus Protonen und durchlaufen das gesamte Universum. Sie bleiben nur stehen, wenn ihnen ein unbequemes Stückchen Materie in die Quere kommt.

Und gelegentlich ist dieses unbequeme Stückchen die Erde. Wir nennen diese intergalaktischen Kugeln - meist energiereiche Protonen - "kosmische Strahlung". Kosmische Strahlung trägt eine Reihe von Energien, von fast vernachlässigbaren bis zu Energien, die die des LHC absolut in den Schatten stellen.

Um einen Maßstab zu vermitteln, kollidiert der LHC mit einer Gesamtenergie von 13 Billionen (oder Tera) Elektronenvolt (TeV). Der mit der höchsten Energie aufgenommene kosmische Strahl, der jemals aufgezeichnet wurde, war eine unergründliche Energie von 300.000.000 TeV.

Nun sind kosmische Strahlen dieser erstaunlichen Energie sehr selten. Die Energie häufiger kosmischer Strahlen ist viel geringer. Aber hier ist der Punkt: Kosmische Strahlen der Energie eines einzelnen LHC-Strahls treffen etwa eine halbe Billiarde Mal pro Sekunde auf die Erde. Kein Collider notwendig

Denken Sie daran, dass kosmische Strahlen meistens Protonen sind. Das liegt daran, dass fast alles im Universum Wasserstoff ist, der aus einem einzelnen Proton und einem einzelnen Elektron besteht. Wenn sie die Erdatmosphäre treffen, kollidieren sie mit Stickstoff oder Sauerstoff oder anderen Atomen, die aus Protonen und Neutronen bestehen. Dementsprechend sind kosmische Strahlen, die auf die Erde treffen, nur zwei Protonen, die zusammen schlagen. Genau das passiert im LHC. Zwei Protonen knallen zusammen.

Seit dem Beginn der Erde hat der Ausbruch kosmischer Strahlung aus dem Weltraum der LHC-Forschung entsprochen - wir hatten einfach nicht den Luxus, zuschauen zu können.

Jetzt muss man vorsichtig sein. Es ist leicht, Zahlen leicht zu werfen.Während viele kosmische Strahlen mit LHC-Energien auf die Atmosphäre treffen, sind die Situationen zwischen dem, was im LHC passiert, und dem, was mit den kosmischen Strahlen überall auf der Erde geschieht, etwas anders.

Bei kosmischen Strahlenkollisionen treten schnell bewegte Protonen auf stationäre Protonen auf, während bei LHC-Kollisionen zwei Strahlen von sich schnell bewegenden Protonen frontal getroffen werden. Frontalkollisionen sind an sich gewalttätiger; Um einen fairen Vergleich zu erhalten, müssen wir kosmische Strahlen in Betracht ziehen, die eine viel höhere Energie haben, insbesondere etwa 100.000 Mal höher als die LHC-Energien.

Kosmische Strahlen dieser Energie sind seltener als die mit niedrigerer Energie, aber dennoch treffen jedes Jahr 500.000.000 Menschen die Erdatmosphäre.

Wenn Sie sich daran erinnern, dass die Erde 4,5 Milliarden Jahre alt ist, stellen Sie fest, dass die Erde seit der Entstehung der Erde ungefähr 2 Milliarden kosmische Strahlenkollisionen mit LHC-äquivalenten Energien (oder höher) in der Atmosphäre durchgemacht hat. Um so viele Kollisionen zu verursachen, müssten wir den LHC 70 Jahre lang ununterbrochen betreiben. Da wir immer noch hier sind, können wir daraus schließen, dass wir in Sicherheit sind.

Aber um absolut sicher zu sein...

Das kosmische Strahlargument ist fantastisch, da es unabhängig von möglichen LHC-Gefahren ist, einschließlich solcher, die wir uns noch nicht vorgestellt haben. Es gibt jedoch eine Lücke, die die Stärke des Arguments möglicherweise verringert. Da kosmische Strahlenkollisionen zwischen einem sich schnell bewegenden und einem stationären Proton stattfinden, wird das "gefährliche" Teilchen (was auch immer das ist) mit hoher Geschwindigkeit erzeugt und kann aus der Erde schießen, bevor es Zeit hat, es zu beschädigen. (Es ist wie beim Billard, wenn ein Spielball auf einen anderen Ball trifft. Nach dem Aufprall fliegen mindestens einer und oft auch beide in die Luft.) Im Gegensatz dazu schlagen die LHC-Balken frontal und machen stationäre Objekte. (Denken Sie an zwei identische Autos mit identischen Geschwindigkeiten, die frontal treffen.) Vielleicht bleiben sie auf der ganzen Welt stehen und verprügeln.

Aber auch darauf gibt es eine Antwort. Ich habe die Erde ausgewählt, weil sie uns nahe und lieb ist, aber die Erde ist nicht das einzige, was von kosmischen Strahlen getroffen wird. Die Sonne wird auch getroffen; und wenn ein kosmischer Strahl die Sonne trifft, könnte dies zu einem "gefährlichen" Produkt mit hoher Energie werden, aber dieses Produkt muss dann eine viel größere Menge an Materie durchlaufen. Und dies berücksichtigt nicht, dass die Sonne ist viel größer als die Erde, erleidet es viel mehr Kollisionen mit hoher Energie als unser Planet.

Außerdem können wir die Anzahl der kosmischen Ziele um Neutronensterne erweitern, die aus so dichter Materie bestehen, dass alles mögliche Gefährliche, das wir in Betracht ziehen, im Neutronenstern sofort nach seiner Herstellung tot aufhört. Und doch sind die Sonne und die Neutronensterne, die wir im Universum sehen, immer noch da. Sie sind nicht verschwunden.

Sicherheit gewährleistet!

Dieses Argument ist also die Quintessenz. Wenn Sie fragen, ob der LHC sicher ist, müssen Sie erkennen, dass das Universum die Experimente bereits für uns durchgeführt hat.

Wenn Sie ein Experte für aktuelle Themen sind - Forscher, Unternehmensleiter, Autor oder Innovator - und einen Beitrag leisten möchten, senden Sie uns hier eine E-Mail.

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Kosmische Strahlung trifft die Erde, die Sonne, andere Sterne und alle Myriaden der Bewohner des Universums mit Energien, die die des LHC weit übersteigen. Das passiert die ganze Zeit. Bei Gefahr könnten wir einige dieser Objekte vor unseren Augen verschwinden sehen. Und doch tun wir es nicht. Daher können wir daraus schließen, dass das, was im LHC passiert, genau, genau, unbestreitbar ist. Null Achtung. Und Sie können nicht den entscheidenden Punkt vergessen, dass dieses Argument für alle erdenklichen Gefahren funktioniert. darunter auch diejenigen, die sich noch niemand vorgestellt hat.

Also, nachdem wir die eiserne Sicherheit des LHC festgestellt haben, was dann? Nun, wir hoffen absolut, dass wir tun Schwarze Löcher im LHC machen - wie erklärt, wären sie winzig und würden den Planeten nicht verschlingen. Wenn wir winzige Schwarze Löcher sehen, haben wir herausgefunden, warum die Schwerkraft so schwach erscheint. Wir werden wahrscheinlich festgestellt haben, dass zusätzliche Raumdimensionen existieren. Wir sind so viel näher dran, eine Theorie von allem zu finden, eine Theorie, die so überzeugend, einfach und prägnant ist, dass wir ihre Gleichung auf ein T-Shirt schreiben können.

Während wir jetzt versichert sind, dass der LHC absolut sicher ist, ist es absolut richtig, dass die Sicherheitsfrage für Wissenschaftler wichtig war, um zu untersuchen. Tatsächlich war die ganze Übung befriedigend, da sie die besten wissenschaftlichen Prinzipien verwendete, um zu einer endgültigen Schlussfolgerung zu gelangen, die allen zustimmen kann. So können wir nun die Grenzen unserer Ignoranz zurückschieben, nur mit zunehmender Erregung der Aussicht auf eine Entdeckung, die uns ablenkt.

Verfolgen Sie alle Fragen und Diskussionen der Expert Voices - und werden Sie Teil der Diskussion - auf Facebook, Twitter und Google+. Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten des Herausgebers wider. Diese Version des Artikels wurde ursprünglich auf WordsSideKick.com veröffentlicht.


Videoergänzungsan: Sean Carroll: Distant time and the hint of a multiverse.




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