9月 10

今天是欧洲粒子物理研究所(CERN)对撞实验开始的日子。曾经有人诉诸法律试图阻止这次实验,看起来他们失败了。

朋友的朋友的小孩,大约从电视里看到相关的新闻,又不知怎地道听途说地理解成,这个实验一做,她自己会变成一条狗。小孩很伤心地哭了一个周末,最后爸妈只好安慰她,要是你变狗了,我们大家都一起变狗吧。

早上起来看BBC新闻,头条就是一个科学家的声音:“five, four, three, hahaha……two, one, zero. Nothing! Yes!”

看起来,地球暂时还没有毁灭。后来又从网上找到一点相关的科普资料(以下均为转载):

关于LHC对撞的一些小常识

Large Hadron Collider今天就要正式启动了,关于LHC,有一些最基本的常识:

1、9月10日,LHC中将只有一束质子,能量450GeV,没有任何对撞。

2、在2009年以前,LHC并不是以14TeV运行,而是10TeV。较低的能量主要是为了用先前
SM的结果来校正探测器。在今年,LHC有数据,但不会有导致物理上新发现的数据。

3、Higgs的发现。按照LHC的technical design report预计,如果存在Higgs,LHC要在第
二年以后才能有足够的luminosity来发现Higgs,也就是2011年前,不会有确凿的证据讲
Higgs存在。

4、SUSY particles的发现。SUSY对luminosity要求低,LHC第一年就有可能发现SUSY,如
果SUSY particles存在且存在于TeV尺度上的话。

5、现在并不能说LHC上绝对不会产生Black hole,当然可能性很小,即便产生也会迅速消
逝。但你不要去跟人打赌,说LHC上绝对不会产生黑洞。

6、LHC与big bang基本无关,能量至少相差19个数量级以上。

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黑洞”和大型强子对撞机:物理学家在开玩笑吗?

任何一个高能物理实验室都有自己的安全委员会,目的是研究由加速器产生的高能粒子束流是否会对周围居民和自然界带来辐射危害。一般来讲这种辐射是可控的,其危害远远低于国家制订的标准剂量。西欧核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)即将于2008年9月10日开机运行,它的质心能量为14TeV(14´1012电子伏特),是目前能量最高的对撞机。正是由于如此高的能量,加上理论物理学家对诸如“小黑洞 ”(Microscopic black holes)、“磁单极”(magnetic monopoles)和“真空泡”(vacuum bubbles)等的预言,引起了一些人士的关注,因为一旦有黑洞产生,接下来最敏感的问题是LHC是否会毁灭我们的地球?

其实早在2003年CERN就为LHC实验组成了一个专门安全委员会,成员由CERN著名理论物理学家John Ellis, Gian Giudice, Michelangelo Mangano,Urs Wiedemann和俄罗斯核物理研究所的Igor Tkachev等人组成。该委员会的任务是以科普的方式阐释人们对LHC实验的误解,发表面向大众的黄皮书“Report of the LHC Safety Study Group”。

为了让大家有数量级上的概念,我们可以就粒子的能量把LHC和高能宇宙线作个比较: LHC上两束质子的能量皆为7TeV,根据LHC预期的对撞事例率和有效的运行时间(10年),物理学家可以获取1017质子-质子对撞反应事例,每个事例的质心能量为1012电子伏特,这相当于一个1017 电子伏特的宇宙线质子打到地球或其它星体上所释放的有效能量。目前我们能够观测到的宇宙线的最高能量为1020电子伏特(如下图所示)。在地球上,每平方厘米的面积内,每秒可以观测到5´10-14个能量在1017eV以上的宇宙线粒子。我们知道地球的表面积为5´1018平方厘米,以地球的寿命为45亿年计,可以得到大约有3´1022宇宙线粒子以相当于LHC的撞击能量已经完成了对地球的轰击。这等效于近百万次的“LHC实验”已经完成,而我们的地球仍完好无缺!其它星体,比如我们的太阳,高能宇宙线轰击次数已经是LHC实验反应事例的10亿倍!它仍然在发光发热!更不用提银河系里其它的星体了。粗略的估计,每秒钟内,整个宇宙就可以完成1013个“LHC实验”!而宇宙还在如期运转着。

大家最关心的是LHC能否产生黑洞?如果产生的话是否会危及到地球的存在?有了上面的数据比较这个问题就不难回答了。传统意义上,我们观测到的黑洞的质量很大,甚至远远大于太阳的质量。可是LHC上质子-质子对撞的有效质量很小,打个比方,每次对撞的有效质量相当于两个蚊子对头相碰。那么根据传统的广义相对论理论,在LHC上根本不可能产生任何宇宙学意义上的“黑洞”。

然而,最新的理论表明传统的广义相对论可能不适用于某些极端条件。比如当两个高能质子以极高能量相遇,在极小间距时,空间可能呈现多维,理论物理学家称之为“extra dimensions”。这时,在LHC能标,两个粒子之间的引力有可能变得很大!最近有理论家讨论在LHC上寻找这种新物理的信号,其直接的证据就是探测所谓“小黑洞”是否存在,参见Phys. Rev. Lett V 87, 161602 (2001), 这篇文章乐观地估计每年在LHC上可以产生107 “小黑洞”,这些小黑洞的成因是“extra dimensions”等新物理的预言。而早在1999年来自美国Stanford University的Sava Dimopoulos等人就提出了实验上寻找“小黑洞”的想法。其实,30年前霍金就论证所有的黑洞都应该是不稳定的,都会以霍金辐射的方式蒸发掉, 只是这一观点从来没有得到实验的证实。与此相应,在LHC上质子-质子对撞如果可以产生新物理预言的“小黑洞”的话,这种“小黑洞”在产生后甚至飞不到几个厘米远,就在瞬间蒸发而变成常规的可观测粒子。

也有一些理论物理学家争论,如果可以产生稳定的“小黑洞”,也就是说它不会衰变掉,是否会存在毁灭地球的可能?可以放心地告诉大家,这种情况是不可能的,原因很简单,正如前面讨论的高能宇宙线和LHC的比较:如果这种假设成立的话,宇宙可以在每秒钟内形成多于LHC实验13个量级的“小黑洞”,而我们却安然无恙!

最后要强调的是,有些预言不是物理学家在开“玩笑”,他/她们的研究是有前提假设和条件的,只是因为一些科普作家扑风捉影,引起人们杞人忧天也就不足为怪了!

2条留言 to “地球暂时还没有毁灭”

  1. singingasong 说:

    我那天听了一上午的BBC4,听到只是小规模的测试,还很失落呢。撞一下又如何呢?我好奇心可能太强了。

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    maomy reply on 九月 18th, 2008:

    好奇害死猫啊。

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