科学家通过大型强子对撞机制造微观黑洞来验证四大基本力的统一

该图像用鱼眼镜头拍摄,显示了大型强子对撞机(LHC)的隧道中的紧凑型μon螺线管(CMS)检测器组件。
图片:©VALENTIN FLAURAUD / AFP via Getty Images)
该图像用鱼眼镜头拍摄,显示了大型强子对撞机(LHC)的隧道中的紧凑型μon螺线管(CMS)检测器组件。
图片:©VALENTIN FLAURAUD / AFP via Getty Images)

在之前的一篇文章中,我们介绍了宇宙中也许存在着大量的微小黑洞——原初黑洞,这些小黑洞的质量可能跟一颗小行星相当,而直径只有一个葡萄柚那么大,是暗物质的最主要组成部分。而有一些观点则认为,其实还有比这种小黑洞还要小的黑洞,大小可以达到原子级别。一些科学家觉得,也许在宇宙中到处都漂浮着这些微观黑洞

最近有科学家就打算通过大型强子对撞机来产生这种微观黑洞。

我们知道,在自然界中,有四个基本力(目前科学家所认知的):电磁力强核力弱核力引力。这四种力在不同的范围内运作,具有不同的载体并以不同的方式相互作用。他们也有非常不同的特点。

而且,无论如何分割,引力总是最弱的。引力是一种很弱的力,即便是它比现在增强十亿倍,它仍然是最弱的力。

当你躺在床上用手机看这篇文章的时候,恭喜你,你用手臂肌肉就已经克服了整个地球的引力。

引力是如此之弱,以至于物理学家开始怀疑为什么。毕竟,某种奇怪不合时宜的东西实际上是在预示着某种未知。

引力如此之弱是一个问题,困扰科学家的还有另外一个问题,就是引力如何能够和其他基本力联系到一起。

在高能量下,电磁力可以和弱核力在电弱统一理论下合并为一个统一的力(当然也称为“电弱力”)。我们有证据表明,在更高的能量下,强核力也能加入到这种统一理论中来。并可以再次假设在极高的能量下,引力也会与其他力合并。但是所需的能量是如此之高,以至于可能需要动用整个银河系的能量来驱动粒子加速器。

为什么引力如此之弱,为什么要花费如此多的能量才能将其与其他力融合?

科学家通过大型强子对撞机制造微观黑洞来验证四大基本力的统一

简短的版本是我们不知道的。一种假设是,宇宙维度并不是我们所认知的三维宇宙,空间维度要比三维更多,除了上下,左右和前后方向,还会有其他一些方向,确切的维度要取决于理论。

而多维度空间跟引力比较弱有什么关系呢,一种可能的原因是:引力实际上很强,在我们三维宇宙中,引力只展现了它的一小部分力而已,在其他维度,也许引力是另外一种表现。

在引入了多维度空间的概念以后,也许就会发现其实引力是很强的,在某些理论下也许并不需要使用银河系大小的粒子加速器来将引力和其他三个基本力统一起来,甚至是使用法国和瑞士交界处长16.5英里(27公里)的大型强子对撞机就能将四个基本力统一,在这台粒子对撞机中质子以接近光速的速度相互碰撞。

游戏规则

那么大型强子对撞机应该如何能够实现四种基本力的统一呢?科学家提出的一种方案就是通过产生微观黑洞。如果引力比我们之前了解的更强,那么理论上我们就能够相对较容易的制造出一个微观黑洞了,甚至在大型强子对撞机就能够制造出来。

这些微观黑洞并不具有常规的黑洞那样吞噬天地的毁灭力,因为它们是如此的渺小,以至于它们会在不到10的负27秒内蒸发掉变成模糊的基本粒子,从而就能够被观测到。当然,这目前还是理论上,实际上我们还没有能够在大型强子对撞机中观测到这种微观模糊粒子。

也有一些理论物理学家指出,我们可能会遗漏掉一些东西。先前关于大型强子对撞机多久会产生微观黑洞的计算,对黑洞的形成方式以及它们如何与周围的宇宙相互作用做出了一些简单的假设。

这些物理学家的更精确的计算表明,假若引力在其他维度上异常的强大,那么大型强子对撞机能够产生的微观黑洞数量也许比之前预计的要少很多,而且随着维度的增加,这些数量可能只有之前预测的十分之一,这也就是一直难以观测到大型强子对撞机产生微观黑洞的原因之一。

只有找到了微观黑洞,科学家才能够寄希望此将宇宙中的四种基本力统一起来,但是同时也预示着我们当前的这个宇宙只是一个嵌入更大框架中的小气泡-我们将不得不完全重写对引力的理解。

最初发表在《生命科学》上。

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