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物理實驗會毀滅宇宙嗎?

最近,壹些學者宣稱LHC的建設是非常危險的。實驗可能會產生高能粒子,造成真空衰變,毀滅世界。Motl對此進行了評論,認為他們的態度不理智。

宇宙中有許多產生高能粒子的過程,這些粒子比LHC實驗的能量尺度大得多,並且從未引起這兩位作者所擔心的衰變。這些高能粒子有很多到達地面後被我們探測到,其中最高能量達到10 (20) ev。

他們害怕位於法國和瑞士邊境的歐洲粒子物理研究所(CERN)的壹個名為大型強子對撞機(LHC)的新加速器會給我們帶來最災難性的危害:這個加速器可能會產生微型黑洞(巨大的奇異聚合物),甚至會導致真空衰變,通過隧道效應使我們的宇宙衰變為更低能量的宇宙。LHC產生的這些東西會逐漸增大體積,甚至吞噬我們的星球。它的內部不適合生命的生存。他們認為LHC的建設是對人類的不負責任。

和所有其他杞人憂天者壹樣,這些人通過人為選擇(尤其是在LHC的情況下)壹些常識、情緒、過時的科學知識和壹些特殊情況下的前沿科學成果來“證實”他們先入為主的結論。這和宗教很像。如果他們從以下任何壹個角度來考察LHC實驗,比如常識、粒子物理現象學、經典物理(廣義相對論)和前沿理論物理。。。他們會發現LHC實驗不會對我們構成任何威脅。

下面將討論這樣壹個威脅:LHC將產生微觀黑洞,它將在壹段時間後逐漸增大並吞噬地球。可能嗎?

根據廣義相對論,把壹個質量足夠大的物體壓縮到壹個非常小的區域,就可以得到壹個黑洞。假設時空只有1+3維,我們沒有技術能力將足夠的質量壓縮到微觀粒子中產生黑洞。即使加速到很高的能量,基本粒子還是太輕了。在四維時空中,即使要產生最小的普朗克尺度視界的小黑洞(10 (-35)米量級),也必須給壹兩個粒子普朗克能量(10 19 GeV)。LHC實驗只能達到10^4 Gev的能量標準,遠遠不夠。而且基本粒子本身是有壹定大小的,不可能壓縮到足夠小的尺度,更不可能壓縮到普朗克長度。

所以,如果危言聳聽者把這個問題作為經典理論來討論,他們沒有理由害怕,因為黑洞永遠不會出現。他們之所以擔心,是因為上述假設(時空是1+3維)不壹定成立,例如,在蘭德爾-桑德蘭姆型卷曲壓縮模型中。在這些理論中,有壹個重要的額外空間維度,它是高度卷曲的。眾所周知的基本粒子位於1+3維的超曲面上(這些超曲面位於額外維度中的壹些特殊位置)。通過調整這個理論的壹些參數,我們可以發現微觀黑洞確實會在LHC實驗中產生。那很好。

因此,我們確實需要擔心壹陣子,對嗎?我們不需要擔心,因為生成的黑洞很快就會蒸發。

即使它們沒有蒸發,LHC產生的黑洞也太小了,在可預見的未來不會吞噬地球。如果這個黑洞是在靜止坐標下產生的,它會停在地球的中心,並在那裏停留數億年。但是我們假設黑洞的蒸發效應是唯壹的。

所以,危言聳聽者需要接受Randall-Sumdrum模型(1999)是真正的物理,否定霍金蒸發理論(1974)。我想他們會辯稱黑洞蒸發理論無論如何也沒有得到實驗證實。新手經常被這種說法洗腦。

這真是壹個奇怪的斷言。研究人員都知道黑洞蒸發理論無疑是正確的。在不同的理論中,我們可以用完全不同的方式把它們推倒,比如霍金對廣義相對論的半經典處理,弦理論中旁觀者對黑洞的描述,以及相應的全息廣告/CFT的猜想。好的物理學家都知道,壹個物理效應是否被實驗證實並不是最重要的。只有不懂數學的初學者才會懷疑以上事實。

霍金輻射是公認的事實,而Randall-Sundrum圖像並不那麽可信。每個嚴肅的高能物理學家,包括拉曼·桑德蘭和麗莎·藍道爾,都知道這壹點。危言聳聽者不得不采用如此古怪的標準來承認壹個幾乎沒有可信度的理論(卷曲的電影世界理論)是真的,而壹個被證明是普遍的理論(霍金蒸發)是錯的。這個選擇標準是非常雙重的。

我只是說這不合適。為什麽Randall-Sundrum的理論沒有被我們宇宙中的實驗所檢驗。高能物理學家在談論為什麽LHC實驗可能證明我們的宇宙符合Randall-Sundrum圖像,因為我們付錢給物理學家用量子場論來描述短距離內的基本粒子物理,而這些物理特性在短距離內是無法直接觀測到的。同樣的理論可以推導出黑洞會蒸發。

危言聳聽者使用雙重標準來獲得他們日本式的宇宙演化圖像。壹個農民沒有理由相信黑洞會蒸發,因為他不知道黑洞是什麽,也不知道它們為什麽會形成。他可能會正確地判斷,如果這個世界存在了這麽多年,2008年還會繼續存在。如果歐洲核子研究中心那些愛管閑事的家夥真的想耍花招,那也沒關系,因為上帝會阻止他們的。

壹個受過更多教育、熟悉廣義相對論的農民會認為,即使黑洞存在,我們也造不出來。了解等效場論和Randall-Sundrum顯微照相術的物理學家會知道LHC確實會產生小黑洞,但它們很快就會蒸發。

危言聳聽者將前沿的蘭德爾-桑德勒姆物理學家的觀點與農民的觀點混為壹談。無論妳是否嚴格對待現代理論物理(包括半經典廣義相對論),他們的觀點都是有問題的,不合理的。他們相信經典的廣義相對論和額外維度,但不相信量子力學的基本規則,所以他們害怕黑洞會成長。

量子力學是壹個久經考驗的理論。我從心底裏很難接受,未來現代物理學的壹些特征,比如旋度的額外維度,會被接受,而量子力學會被拋棄。當任何壹個我們已經承認的理論在後來都被冷漠地扔掉的時候,我不知道這種情況什麽時候才能結束。

除了以上對物理原理的討論,我們還可以從歷史事例中解釋為什麽LHC實驗或地球上的其他實驗不會帶來危險。LHC確實比以前建造的所有加速器都大,達到的能量標準也更高。但與宇宙中的壹些例子相比,它的能量標準並不高。即使在地球上,也存在能量比LHC大十億倍的事件——超高能宇宙射線,不斷轟擊地球。這種碰撞的質心能量通常高於LHC粒子碰撞的質心能量。如果我們暫時相信狹義相對論,LHC實驗和自然宇宙線情況的唯壹區別是,這些碰撞會在同壹個地方重復發生,因此可以被探測和研究。

就像其他東西壹樣,上面的論證有壹個小漏洞,就是我們不必承認狹義相對論,這樣理論上的可調參數就不僅僅是質心能量這個參數了。為了模擬LHC碰撞試驗,我們可以想象兩條能量為7 TeV的中性宇宙射線相互碰撞。這種情況在地球附近很少見。在狹義相對論得到嚴格驗證的今天,很多實驗給出了狹義相對論不可侵犯的上限。在這個上限內,即使那些違反洛倫茲不變性的理論也給出了LHC碰撞無害的結果。但是,只包含質心系統能量作為唯壹自由參數的計算是違反洛倫茲不變性理論的極限情況。

所以作為壹個危言聳聽的人,妳可能會選擇相信世界會以壹種尚未被發現的新方式違反洛倫茲不變性,以壹種最終會與實驗相協調,但會對LHC碰撞產生災難性影響的方式。不用說,妳無法建立壹個自洽的理論來描述它,但妳仍然可以相信妳的觀點就是實際發生的事情。如果妳這樣做了,就沒有必要激怒妳,說妳不誠實。妳可以用這種說法來軟化妳的言辭,即妳所采用的假設是不自然的,它們很少站得住腳。即使他們這樣做了,LHC實驗也極不可能有危險,因為基於這些假設的預測(也許比這些假設站得住腳的可能性更小)。是的,風險不為零,但如果小於10 (-20),我們為什麽要擔心?實際風險要小得多。

Walter Wagner是壹個擔心LHC會帶來災難的非政府組織的成員。還有人認為,即使他相信狹義相對論,LHC實驗也不同於現有的其他實驗,即在相對於地球靜止的坐標系中產生新的物體,產生的粒子更有可能吞噬地球。好吧,我承認相對論的速度是不壹樣的,但是如果妳假設黑洞或者其他危險物體沒有衰變,那就說明在宇宙不同地方形成的這種物體還在四處遊蕩,我們可能被這種物體形成的海洋包圍,其中壹些速度非常慢,所以到目前為止,無論是在地球上還是其他地方,我們都沒有觀測到這些危險物體帶來的災難性後果,這真的很奇怪。

LHC可能帶來的最大危險來自弦理論中的預測:宇宙可能會在弦理論中隧道到不同的位置。宇宙中形成了新的球形氣泡,這些氣泡中的基本粒子的組成和相互作用性質將與我們的宇宙不同,像我們這樣的人類將不存在。這些氣泡會以光速膨脹成壹個新的宇宙,吞噬整個宇宙。這可能是最科幻的結局,但也是最不可能的結局。由於這種現象的完整性,這樣的危險也可能發生在宇宙的其他地方。我們的宇宙已經存在了6543.8+037億年。直到今天,還沒有發生過這樣的碰撞來創造新的宇宙,盡管發生過許多不同的碰撞,包括能量為7 Tev的LHC碰撞。歷史表明,這種事情發生的概率太小。

類似的論點可以給外來物質的產生。奇異物質是由大量奇異誇克聚合而成的巨大原子核。他也許能吞下整個地球,但之後他會停下來,不像上面的新宇宙泡。同樣,宇宙射線也會帶來同樣的後果。關於這類物體有壹個詳細的現象學模型。在這個理論中,當奇異物質構成的聚合物變得比地球更大更小時,理論中的壹些微調參數要滿足壹定的條件,才能阻止她的生長,防止太陽被毀滅。為了使LHC實驗帶來災難性的結果,妳不得不微調理論的某些參數,這是不自然的。但如果妳計算整個宇宙中粒子物理實驗造成危險的可能性,妳會誠實地得到壹個結果:危險的概率微乎其微。

主要的邏輯謬誤是,危言聳聽者為了制造恐慌,故意忽略霍金的蒸發效應,以為該效應是不確定的,甚至不會發生。而且他們也沒有看到導致霍金蒸發理論的理論。他們聲稱LHC實驗會帶來災難。這是同樣的理論。很難想象壹個宇宙會先驗地遇到壹些理論,而在統壹的邏輯體系下不會遇到其他理論。

其他危言聳聽者擔心災難性的全球變暖。因為他們在得出結論的過程中使用了太多不自然的假設,得出最重結論的可能性很低。