Ξεπερνώντας το CERNageddon
Είναι μια ηλιόλουστη καλοκαιρινή μέρα στη Γενεύη της Ελβετίας. Τα πουλιά τραγουδούν καθώς οι εραστές κάνουν κανουντ κοντά στο Jet d'Eau. Κάπου, κάποιος ακούει techno μουσική λίγο πολύ δυνατά.
Σε κοντινή απόσταση, 570 πόδια κάτω από τη γη, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, ή LHC, βουίζει με πλήρη ισχύ, χτυπώντας τα άτομα μολύβδου κοντά στην ταχύτητα του φωτός πριν τα χτυπήσει σε πρωτόνια για να δει πώς εκρήγνυνται. Η σήραγγα μήκους 17 μιλίων παράγει 14 τρισεκατομμύρια ηλεκτρον βολτ σε ένα σημείο σύγκρουσης πλάτους έξι χιλιοστών της ίντσας. Είναι το μεγαλύτερο και πιο ισχυρό μηχάνημα που κατασκευάστηκε ποτέ από ανθρώπους και το χαρακτηριστικό επιστημονικό πείραμα του 21ου αιώνα.
Ξαφνικά, το έδαφος αρχίζει να βροντάει. Ταρακουνιέται και μετά διαλύεται, σαν να το έσπασε ένα τέρας βαθιά μέσα του. Δεν υπάρχει καν χρόνος για να ουρλιάξουμε προτού η γη υποχωρήσει - τραβηγμένη προς τα μέσα με τρομακτική ταχύτητα - μεταφέροντας εραστές, συντριβάνι και μουσική techno κάτω στο φρικτό μαύρα μαύρα που κάποτε ήταν ο πυρήνας του πλανήτη μας. Σε δευτερόλεπτα, τελείωσε. Η Γη έχει εξατμιστεί σε ένα άδειο μαύρο τίποτα.
Αυτό ήταν το σενάριο της καταστροφής που τέθηκε ενώπιον των φυσικών το 2008, καθώς ο LHC ανέβαζε στροφές για την πρώτη του λειτουργία. Τροφοδοτημένος από ειδησεογραφικές αναφορές που γοητεύτηκαν νοσηρά από αποκαλυπτικά σενάρια, το κοινό ανησυχούσε ειλικρινά ότι οι άνθρωποι επρόκειτο να δημιουργήσουν μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, ή αλλιώς παράξενη ύλη, που θα μπορούσε να καταστρέψει τον κόσμο μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα.
Σχεδόν όλοι οι φυσικοί λένε ότι αυτό το σενάριο είναι απίθανο. Από όσο γνωρίζουμε, οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται όταν ένα τεράστιο αστέρι καταρρέει στον εαυτό του σε μια τεράστια έκρηξη μόλις κάψει όλο το καύσιμο - όχι όταν τα υποατομικά σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους με μεγάλη ταχύτητα. Αλλά όσο απίθανο ήταν, η προοπτική άγγιξε όλους μας — ολόκληρο τον πλανήτη. Με τόσο υψηλά διακυβεύματα, η έννοια του κινδύνου αποκτά ένα εντελώς νέο νόημα. Έτσι, οι φυσικοί μελέτησαν την αποκαλυπτική υπόθεση μέσω μιας σειράς τριών απίθανων γεγονότων:ότι οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν εξαρχής. ότι θα μπορούσαν να διαρκέσουν περισσότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. και ότι μπορούσαν να κολλήσουν και να καταπιούν τα πάντα κοντά.
Το πρώτο απίθανο γεγονός - η δημιουργία μιας εξαιρετικά μικρής μαύρης τρύπας - θα ήταν μια αποκάλυψη, λέει ο Don Lincoln, ένας φυσικός στο Fermilab κοντά στο Σικάγο. Θα χαιρόταν πραγματικά αν ήταν μια επιστημονική δυνατότητα. «Ω, Θεέ μου, θα κουνούσα σαν κουτάβι. Κάποιος θα πήγαινε στη Στοκχόλμη για αυτό», λέει. "Εάν σχηματιστούν, μπορούμε να μάθουμε κάτι βαθύ και διορατικό και πραγματικά κεντρικό για την κατανόησή μας για το πώς δημιουργήθηκε το σύμπαν."
Αυτό το «κάτι» θα ήταν η ύπαρξη εξαιρετικά μικρών επιπλέον διαστάσεων στο σύμπαν μας πέρα από τις συνηθισμένες τέσσερις (τρεις χωρικές, συν χρόνο). Είναι λίγο δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς θα μοιάζει ή πώς θα λειτουργούσε μια μινιατούρα διάσταση, αλλά οι θεωρητικοί έχουν χρησιμοποιήσει την ιδέα για να εξηγήσουν γιατί η βαρύτητα στο σύμπαν μας είναι τόσο αδύναμη (θεωρητικά, θα έπρεπε να είναι ισχυρότερη). Αλλά όταν πρόκειται για μαύρες τρύπες, η βαρύτητα είναι το παν. Θεωρητικά, εάν υπάρχουν πέντε έως επτά διαστάσεις κρυμμένες μέσα στο σύμπαν, θα μπορούσε κανείς να συμπιέσει μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.
Εκεί μπαίνει στο παιχνίδι το δεύτερο απίθανο γεγονός. Όλα όσα γνωρίζουμε για τις μαύρες τρύπες λένε ότι εκπέμπουν έναν τύπο αδύναμης ενέργειας που ονομάζεται ακτινοβολία Hawking, που πήρε το όνομά του από τον Stephen Hawking. Ωστόσο, να θυμάστε ότι ο Αϊνστάιν έδειξε ότι η μάζα ισούται με ενέργεια - έτσι δεν μπορείτε να χάσετε το ένα χωρίς να χάσετε το άλλο. Επομένως, αν μπορούσαν να γεννηθούν μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, θα εξαφανίζονταν αμέσως.
Αλλά ας προσποιηθούμε για μια στιγμή ότι ο Αϊνστάιν και ο Χόκινγκ είτε έκαναν λάθος είτε απλώς δεν κατάλαβαν τη φυσική των απειροελάχιστων πολυδιάστατων συμπάντων. Υπάρχει το τρίτο απίθανο γεγονός που πρέπει να συμβεί:Η μικροσκοπική μαύρη τρύπα πρέπει να καταναλώσει τα πάντα γύρω της. Αλλά τα κοντινά άτομα θα ήταν τεράστια σε σύγκριση με αυτή τη μαύρη τρύπα, επομένως δεν θα έβρισκε «τροφή» για κατανάλωση.
Δεν ήταν η πρώτη φορά που οι φυσικοί αναλογίστηκαν αποκαλύψεις που προκαλούνται από σωματίδια. Το 1979, μια ομάδα επιστημόνων του Μπέρκλεϊ αναρωτήθηκε εάν ο πρόσφατα τοποθετημένος επιταχυντής τους στους λόφους της Καλιφόρνια αποτελούσε κάποιο είδος απειλής. Αποφάσισαν ότι η ίδια η ύπαρξη της Γης ήταν απόδειξη ότι δεν το έκανε.
Το σκεπτικό τους ήταν ότι η Γη - και οτιδήποτε άλλο στο σύμπαν - εκτοξεύεται συνεχώς από κοσμικές ακτίνες, οι οποίες είναι ουσιαστικά φορτισμένα σωματίδια που δεν διαφέρουν από αυτά που χρησιμοποιεί ο LHC. Δεν υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ ενός σωματιδίου που χτυπά στη Γη και δύο σωματιδίων που χτυπούν το ένα πάνω στο άλλο, σκέφτηκαν οι επιστήμονες. Μετά από δισεκατομμύρια χρόνια κοσμικού βομβαρδισμού, καμία μαύρη τρύπα ή άλλη παράξενη ύλη δεν έχει καταστρέψει τον πλανήτη μας. οπότε ένα ή περισσότερα από τα τρία απίθανα γεγονότα πρέπει, στην πραγματικότητα, να είναι αδύνατα. Για παράδειγμα, οι μαύρες τρύπες μπορεί πράγματι να σχηματιστούν από τέτοιες συγκρούσεις, αλλά ακόμα κι αν συμβεί, μπορεί στη συνέχεια να εκτιναχθούν ακίνδυνα στο διάστημα —όπως, ας πούμε, τα νετρίνα—χωρίς να αγγίξουν ούτε ένα άτομο.
Αυτή η ιδέα επικράτησε μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1990, όταν ο προκάτοχος του LHC, ο Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, προφέρεται «Rick») έβγαινε στο διαδίκτυο στο Suffolk της Νέας Υόρκης. Καθώς οι επιστήμονες σκέφτονταν πιθανούς κινδύνους, δύο μικρές ρωγμές σχηματίστηκαν σε αυτή τη θεωρία ασφάλειας. Η πρώτη προήλθε από έναν θρυλικό φυσικό της μαύρης τρύπας, τον William Unruh, ο οποίος είπε ότι εάν κάποιος διαστρεβλώσει περαιτέρω όσα γνωρίζουμε για τις μαύρες τρύπες, η ακτινοβολία Hawking μπορεί να μην υπάρχει στην πραγματικότητα. Ομολογουμένως, είπε στους The New York Times η φυσική «θα έπρεπε πραγματικά, πραγματικά να είναι περίεργη» για να λειτουργήσει αυτό. Θα ήταν σαν να ξυπνούσατε αύριο για να διαπιστώσετε ότι η βαρύτητα δεν λειτουργεί πλέον ή ότι η γη και ο ωκεανός είχαν αλλάξει θέσεις. Παρ' όλα αυτά, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικής Έρευνας (CERN) σχημάτισε μια ομάδα για να διερευνήσει τους κινδύνους και να θέσει ολόκληρη την επιχείρηση στο τέλος του κόσμου.
Ο Michelangelo Mangano, ένας από τους φυσικούς του CERN που ήταν επιφορτισμένοι με την εξέταση, σύντομα συνειδητοποίησε ότι υπήρχε ένα δεύτερο ελάττωμα στο μοντέλο—δηλαδή ότι οι ακτίνες του επιταχυντή LHC ήταν στην πραγματικότητα διαφορετικές από τις κοσμικές ακτίνες. Οι κοσμικές ακτίνες που χτυπούν τη Γη συμπεριφέρονται παρόμοια με ένα τρένο με ταχύτητα που χτυπά ένα σταθμευμένο αυτοκίνητο - και οι δύο φεύγει προς την κατεύθυνση που κατευθυνόταν το τρένο. Αλλά το LHC ουσιαστικά θα χτύπησε δύο τρένα μεταξύ τους σε μια μετωπική σύγκρουση, η οποία θα τα έκανε να σταματήσουν στη θέση τους μετά από ένα εκπληκτικά ισχυρό χτύπημα. Μετατρέποντας αυτή τη μεταφορά σε συγκρουόμενες δέσμες, εάν σχηματιζόταν μια μαύρη τρύπα δεν θα έβγαινε ακίνδυνα στο διάστημα, αλλά θα μπορούσε να καθίσει γύρω και να αλληλεπιδράσει με τα κοντινά άτομα—και τελικά να καταπιεί τα πάντα γύρω της.
Για να διερευνήσει τι συμβαίνει όταν σωματίδια υψηλής ταχύτητας συγκρούονται μετωπικά σαν τρένα, ο Mangano χρειαζόταν ένα πεδίο δοκιμών - κάπου στον γαλαξία όπου τέτοια σωματίδια στην πραγματικότητα χτυπούν μεταξύ τους και σταματούν. Τα αστέρια νετρονίων ταιριάζουν με τις προδιαγραφές, αποφάσισε. Ένα αστέρι νετρονίων είναι ένας τύπος άστρου μεγάλης μάζας που έχει καταρρεύσει του οποίου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που κάθε κοσμική ακτίνα που το χτυπούσε θα σταματούσε στις γραμμές του σαν ένα τρένο που χτύπησε ένα βουνό. Εάν οι μαύρες τρύπες μπορούσαν να σχηματιστούν και αν δεν φουσκώσουν αμέσως, τότε θα κάθονταν στη θέση τους και θα καταβρόχθιζαν το αστέρι νετρονίων. Έτσι, σκέφτηκε ο Mangano, η ύπαρξη άστρων νετρονίων ήταν απόδειξη ότι τέτοιες μικρομαύρες τρύπες δεν υπάρχουν.
Ο Mangano κάλεσε τον θεωρητικό των χορδών Στίβεν Γκίντιγκς, ο οποίος είχε γράψει μια από τις πρώτες εργασίες που υποδηλώνουν ότι τέτοιες μαύρες τρύπες δεν μπορούσαν να δημιουργηθούν, και ζήτησε τη γνώμη του. Συγκλονίστηκε όταν έμαθε ότι η σκέψη του Γκίντιγκς αντανακλούσε τη δική του σκέψη, και κοίταζε και τα αστέρια νετρονίων ως πεδίο δοκιμών. Ζευγάρισαν και άρχισαν να συνεργάζονται.
Γρήγορα συνειδητοποίησαν πόσο δύσκολη θα ήταν η δουλειά. Έπρεπε να κατανοήσουν όχι μόνο τη φυσική των άστρων νετρονίων (υπέρ-πυκνά αντικείμενα στο μέγεθος του Λονδίνου αλλά διπλάσια από τη μάζα του ήλιου), αλλά και τη συμπεριφορά διαφορετικών τύπων κοσμικών ακτίνων και μικροσκοπικών θεωρητικών μαύρων τρυπών. «Ήταν εξαιρετικά συναρπαστικό», λέει ο Mangano. «Ήταν σαν να επέστρεψα ως μεταπτυχιακός φοιτητής, όπου κάθε μέρα ανοίγεις ένα βιβλίο και υπάρχει κάτι νέο. Αλλά κάνοντας το με τη σοφία ενός έμπειρου ερευνητή.»
Πολλοί από τους συναδέλφους τους νόμιζαν ότι έχασαν τον χρόνο τους κυνηγώντας φαντάσματα, αλλά το ζευγάρι επέμενε για μήνες μέχρι που ξαφνικά χτύπησε σε έναν τοίχο από τούβλα. Συνειδητοποίησαν ότι η βαρύτητα ενός αστέρα νετρονίων ήταν πολύ ισχυρή για να διαπεράσει ένα κοσμικό σωματίδιο με οποιαδήποτε ταχύτητα. Ουσιαστικά, μόλις ένα σωματίδιο πλησίαζε στο αστέρι, θα επιβραδύνει πάρα πολύ για να χτυπήσει άλλα σωματίδια με ενέργεια παρόμοια με τον LHC. Όλη τους η δουλειά ήταν μάταιη.
«Ήταν κάτι παραπάνω από απογοητευτικό, ήταν εξαιρετικά απογοητευτικό. Ήταν απλώς μια τρομερή στιγμή. Πραγματοποιήσαμε τους υπολογισμούς αρκετές φορές για να είμαστε σίγουροι ότι ήταν έτσι», λέει ο Mangano. "Και ήταν μια τεράστια απογοήτευση γιατί νομίζαμε ότι τελειώσαμε."
Έτσι, ο Giddings και ο Mangano μαζεύτηκαν και ξεκίνησαν ξανά. Αυτή τη φορά, οι επιστήμονες επέλεξαν ως πρότυπά τους λευκούς νάνους - έναν τύπο αστεριού που έχει καταρρεύσει που έχει το μέγεθος της Γης με τη μάζα του ήλιου. Οι λευκοί νάνοι είναι αρκετά πυκνοί για να σταματήσουν μια μαύρη τρύπα, αλλά όχι αρκετά ισχυροί για να αποτρέψουν τη σύγκρουση. Το δίδυμο μπήκε μέσα και βρήκε οκτώ λευκούς νάνους που είχαν τη σωστή μάζα και είχαν περάσει αρκετό καιρό για να βεβαιωθεί ότι οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν από συγκρούσεις σωματιδίων δεν τους κατανάλωσαν. Η ύπαρξη λευκών νάνων—ιδιαίτερα αυτών των οκτώ—παρά τα 100 εκατομμύρια χρόνια σφυροκόπησης κοσμικών ακτίνων ήταν απόδειξη ότι ο LHC ήταν ασφαλής.
Μετά από ένα χρόνο εργασίας, το 2008, οι Giddings και Mangano δημοσίευσαν το "Astrophysical Implications of Hypothetical Stable TeV-scale Black Holes" στο Physical Review D . Το CERN δημοσίευσε επίσης δύο εκθέσεις που συνοψίζουν τα αποτελέσματά του, καθεμία πιο σίγουρη από την προηγούμενη. Τα χαρτιά αντιμετωπίστηκαν με έναν συνδυασμό ανακούφισης και χαράς - λιγότερο ότι ο κόσμος ήταν ασφαλής παρά ότι ήταν η χρηματοδότηση του LHC και ότι το όλο χάος είχε τελειώσει. Ένας αστροφυσικός, ο Rainer Plaga, έθεσε όντως μερικά ερωτήματα, αλλά πέρα από αυτό, η εργασία έκανε την επιστημονική κοινότητα να χαλαρώσει.
Ωστόσο, δεν έπεισε απαραίτητα τον υπόλοιπο κόσμο. Αρκετοί φωνητικοί αντίπαλοι χωρίς ισχυρά επιστημονικά διαπιστευτήρια προσπάθησαν να κάνουν μήνυση για να σταματήσει το πείραμα, αλλά όλες οι υποθέσεις απορρίφθηκαν είτε λόγω τεχνικών στοιχείων είτε λόγω έλλειψης δικαιοδοσίας. Αυτό έφερε στο φως ένα πιο εγκόσμιο, αν και πρακτικό, ερώτημα:Πώς θα έμοιαζε μια τέτοια δοκιμή; Δεν είναι σαφές αυτή τη στιγμή, καθώς, ως διεθνική εταιρική σχέση παρόμοια με τα Ηνωμένα Έθνη, το CERN έχει ασυλία από τους περισσότερους ευρωπαϊκούς νόμους. Επίσης, θα ήταν δύσκολο να βρεθούν ανεξάρτητες φωνές για μια τέτοια δίκη, λέει ο Έρικ Τζόνσον, ένας δικηγόρος που έγραψε μια λεπτομερή ανασκόπηση αυτής της νομικής κατάστασης.
«Η επιστημονική έρευνα καθοδηγήθηκε από το χρονοδιάγραμμα του έργου του πειράματος. Νομίζω ότι μπορείτε να πείτε ότι δεν ήταν ανεξάρτητο και έγινε σε διαφορετικούς βαθμούς από άτομα που συμμετείχαν στο θέμα», λέει ο Τζόνσον, προσθέτοντας ότι δεν ανησυχεί για τους κατακλυσμούς, αλλά μάλλον ενδιαφέρεται για το νομικό παζλ. "Αυτό είναι που το κάνει τόσο ενδιαφέρον για μένα από νομική άποψη:Πώς τα δικαστήρια και οι δικηγόροι υποτίθεται ότι θα το αντιμετωπίσουν αυτό."
Το φιλοσοφικό ζήτημα παραμένει επίσης, γιατί είναι ουσιαστικά αδύνατο να αποδειχθεί αρνητικό. Πώς μπορεί κανείς να αποδείξει ότι μια φυσική κοσμική ακτίνα που χτυπά τη Γη κάθε μέρα δεν θα εξαφάνιζε τον πλανήτη αύριο; Το ίδιο ισχύει και για τα σωματίδια του LHC, αλλά σε κάποιο σημείο πρέπει να εγκαταλείψουμε το «τι γίνεται αν όλα όσα γνωρίζουμε για τη φυσική είναι λάθος;» και ανυπομονούμε για τις εκπληκτικές ανακαλύψεις που ο LHC μπορεί να προσφέρει σύντομα. Ο επιταχυντής θα λειτουργεί με πλήρη ισχύ στις αρχές του 2015.
«Αν και ακούγεται ότι θα έπρεπε να είναι τρομακτικό να το πεις», λέει ο Λίνκολν του Fermilab, «ναι, θα ήθελα να δω να σχηματίζονται μαύρες τρύπες». Ανυπομονεί για τις πρωτοποριακές ανακαλύψεις του 21ου αιώνα. «Ό,τι και να βρούμε—και πραγματικά ελπίζω να βρούμε πέντε παράξενα πράγματα, όποια κι αν είναι—δεν είναι επικίνδυνο».
Ο επιστημονικός συγγραφέας Erik Vance εδρεύει στην Πόλη του Μεξικού και έχει γράψει για το Discover, το Harper's Magazine και τους The New York Times. Φοβάται τις αράχνες, τους κεραυνούς και τα πραγματικά μεγάλα ψάρια. Αλλά όχι μαύρες τρύπες.
