大型粒子对撞机应不应当建造?

大型粒子对撞机应不应当建造

我不是科学家,在头条的估计也没有物理学家。那么,要回答这个问题,我们瞎发表看法不会给别人任何正确的、有用的信息,不如听听顶级科学家的。高能加速器就是通过电磁场给粒子加速,让两束相向运行的粒子撞在一起。在碰撞过程中会产生新的粒子,分析碰撞结果,可以给基础物理的研究提供证据。但这个设备开销非常大,建造的起步价是1亿美元。

当年中国科学界响应毛主席“中国应当对人类有较大贡献”的号召,才提出建这个东西。当时认为我们已经有了原子弹和氢弹的经验,高能加速器也一样可以成功。但是杨振宁反对。杨振宁为什么反对呢?主要理由是不符合中国国情。他认为:在那么穷的时候,应该把钱花在刀刃上。1亿美元分给计算机、生物学、机械制造,不但能培养更多人才,还可以直接产生经济效益,提升人民生活质量。

这个理由,得是对物理学有全局了解的人才能提出来。中国当时规划的加速器是500亿电子伏特,而当年世界上出产学术成果最多的,用的是3000亿电子伏特的加速器。我们的规划目标,就已经是别人10年前淘汰的了,最终的结果如何可想而知。另外,就算有钱建超大规格的加速器,也不太可能有突破进展。因为之前的科学家利用“杨-米尔斯方程”,把绝大多数预言的粒子都找到了。

预言中有,但还没找到的粒子,那种设备需要的经费连美国都花不起,更别提当时的中国了。知道了这个背景,你就能理解为什么杨振宁从1972年到2019年,都一直反对建设高规格的加速器了吧。虽然那个年代领导指明方向的事很难改变,但杨振宁的反对还是非常有效。最终,这个项目拖到了科研经费稍微充裕些的1984年才开工,经费也削减到2000万美元,省下了80%的钱。

为什么大型强子对撞机还在寻找引力子?

为什么大型强子对撞机还在寻找引力子

谢谢邀请。这个问题首先要清楚量子力学、狭义相对论、广义相对论、量子场论他们的关系。量子力学和狭义相对论是现代物理学的两大支柱,两者的结合是量子场论。建立在量子场论基础上的粒子物理标准模型,描述了自然界除了引力之外的其它三大相互作用,分别是电磁相互作用,强相互作用,和弱相互作用,并且都得到了实验的证实。

目前的标准模型已经统一了电磁相互作用和弱相互作用,即电弱统一理论。标准模型后续的“大统一理论”把强相互作用也统一了进来,提出了一些新的粒子,以及质子衰变等现象,还引入了超对称,目前还没经过实验证实。而广义相对论只研究引力,认为引力来自时空的弯曲。它因为种种问题而没有被包含在量子场论之中。(所以一些科普读物提到的相对论和和量子力学有矛盾,指的是广义相对论。

狭义相对论已经和量子力学成功结合为了量子场论)。经过标准模型的成功,物理学家们自然想把引力也统一进量子场论中来。由于引力之外三大相互作用都是通过传递粒子来产生“力”的效果,如电磁相互作用靠传递光子,强相互作用靠传递胶子,弱相互作用靠传递W和Z玻色子,那么引力也应该靠引力子,而时空弯曲是由引力子引起的一个效果,时空根本上是平直的,就如同电磁力是平直时空下光子引起的一个效果一样。

于是试图以量子场论作为出发点来统一引力的“万有理论”中,如超弦理论,都存在引力子。同时还有一个非主流的“万有理论”,认为弯曲时空是根本,直接在弯曲时空背景下建立量子场论,目前也做出了一些预言等待实验证实。这里就根本没有引力子的存在。但是注意,在存在引力子的理论(如超弦理论)里,靠对撞机的能量是远远不够发现引力子的。

大型强子对撞机是什么?能通俗的比喻一下吗?

大型强子对撞机是什么能通俗的比喻一下吗

大型强子对撞机,英语:Large Hadron Collider,缩写为:LHC,是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织的对撞型粒子加速器,作为国际高能物理学研究之用。大型强子对撞机已经建造完成,2008年9月10日开始试运转,并且成功地维持了两质子束在轨道中运行,成为世界上最大的粒子加速器设施。大型强子对撞机是一个国际合作计划,由世界各国的多个大学与科研机构以及近万名位物理学家参与设计、建造与研究。

它的经费一部分由欧洲核子研究组织会员国提供的年度预算提供,另有参与实验的科研机构提供的专用资金。大型强子对撞机建造于一个圆周为27公里的环形隧道内,该隧道位于地下约50至175米之间,重复利用了先前大型电子正子对撞机所使用的隧道。隧道直径三米,位于同一平面上,贯穿瑞士与法国边境,主体部分位于法国。这个设备的作用就是将受到强相互作用影响的亚原子粒子加速到接近光速,让它们相互撞击,通过观察撞击时产生的景象,分析微观领域的物理规律及现象。

它的目的主要是为了完善量子物理的标准模型,以解答量子物理中的那些未解之谜,比如什么是质量、暗物质暗能量的组成、反物质、空间的额外维度等等问题。你要一个通俗的比喻,我能想到的最恰当的比喻就是:大型强子对撞机就像是把一条磁悬浮高速铁路建成环形,让两列磁悬浮列车反向行驶,在环形轨道中不断循环加速,直到将其速度提高到所能达到的极限,然后让它们相撞,看看到底能撞出什么结果出来。

危险黑洞无处不在,大型强子对撞机想要制造的黑洞,会威胁地球吗?

危险黑洞无处不在,大型强子对撞机想要制造的黑洞,会威胁地球吗?黑洞是科学家们通过间接观测的方法证实存在的一种特殊天体,它以其强大的引力、巨大的吞噬能力、无处不在和难以直接观测的神秘特性,一直以来受到广大科学工作者和天文爱好者的青睐,而关于黑洞的研究,对于人们深入进行深空探测、掌握天体形成和演化规律具有重要的意义。

黑洞的形成在大尺度的宇宙空间背景下,关于黑洞的形成,现在的主流观点认为,是与恒星的固有质量以及发展演化密不可分的。这里有两个质量极限区间,决定着大质量恒星最终的归宿。第一是钱德拉塞卡极限,相当于1.4个太阳质量。当恒星的质量超过这个极限时,在其演化的末期,由于内部物质在核聚变过程中的消耗量逐渐加大,内聚力相应减弱,而向外的辐射压力仍大于来自内核的引力作用,所以恒星表面向外层持续膨胀,温度逐渐降低,逐渐形成红超巨星。

而红超巨星内部仍然进行着核聚变反应,不过强度仍然在缓慢地下降,当向外的辐射压力不能抵抗来自内核的引力作用时,恒星将会发生塌缩。而在巨大的重力作用下,组成恒星物质的电子之间的相互斥力-电子简并压不能支撑这种巨大的压力,那么,原子核外的电子将会被压进原子核的内部,与质子结合形成中子,于是形成中子星。第二是奥本海默极限,相当于3.2个太阳质量。

当恒星的质量超过这个极限时,在其演化的末期,其由于自身质量非常巨大的原因,恒星自身重力所引发的向内压力非常巨大,就连被压进原子核内形成的中子,相互之间的斥力也无法抵抗这个巨大的压力,塌缩就会无限制地向核心进行下去,中子于是在这种无比巨大的压缩力作用下被压得粉碎,最终产生了体积无限小、密度无限大的黑洞。

微型黑洞是否存在刚才我们分析的是宇宙中可以被间接观测到的大型黑洞的形成过程。但是,天体物理学家们在进行宇宙天体基本特征和运行规律时发现,按照万有引力定律,人们计算出来的恒星质量,也就是引力质量,与通过一个星系中恒星数量计算出来的光度质量之间,存在着一定的差异,即使反复修正运行模型和校正模拟参数,这两个质量之间似乎总是存在着一个无法逾越的鸿沟。

于是科学家们提出了“微型黑洞”的猜想,主要观点就是随着宇宙大爆炸的进行,可能存在着许多能量密度非常大的微小区域,足以克服宇宙向外的膨胀力,当这个微小区域的能量密度比周围区域明显高出许多时(68%以上),就会发生剧烈的塌缩现象,从而形成一个质量和密度非常大的奇点,成为“微型黑洞”的中心。而关于微型黑洞是否存在,科学家们已经从理论上进行了证实。

但是,在宇宙膨胀到如今的阶段,人们在可观测到宇宙之内,通过大尺度的宇宙背景温度的观测和分析,并没有发现剧烈的温度波动情况的发生,而区域能量密度的高低,会直接影响着微波辐射过程中的温度波动,因此,通过观测分析,并没有发现微型黑洞存在的证据,也就是说在现有的宇宙膨胀尺度效应下,自然状态形成微型黑洞缺乏存在的基础。

大型强子对撞机可以制造出黑洞吗为了寻找现实世界中新的粒子以及微观下的量化粒子,人们制造了可以对质子进行强加速的设备,其主要原理是利用强磁场,将两速高速粒子流进行对撞,在高速对撞过程中将质子进行粉碎,可能会形成新的微观粒子,而这些微观新粒子很难进行直接观测,于是科学家们根据反应过程,研究得出最终的末态稳定粒子的分布图,继而根据这个末态稳定粒子的分布状况,来反推中间发生的物理变化过程,如果有中间态的新粒子在反应中发生,那么就会体现到粒子的分布图上,形成一个“共振峰”,科学家们根据这个共振峰的形态推导出新粒子的质量和寿命周期。

通过大型强子对撞机,科学家们先后捕捉到了夸克、W色子、Z色子和希格斯玻色子,进一步丰富了物理学的标准模型。正是由于在大型强子对撞机实验中,能够形成世大的能量密度集中的微小区域,因此或许可以引发周围微小区域的空间塌缩,形成一种类似黑洞性质的“微型黑洞”,但是这个黑洞不可能会产生宏观宇宙意义上的黑洞,因为无论是从质量还是从能量上看,大型强子对撞击机还远远达不到要求。

根据科学家们的测算,如果要形成宏观意义上的黑洞,所需要的能量要比输入大型强子对撞击机的能量总和还要高出几十亿倍。退一万步讲,假如真的通过大型强子对撞击机可以制造出微观粒子级别的微型黑洞,那么对地球和人体也是没有任何影响的。主要原因有两个方面:一是黑洞的引力密度问题。黑洞之所以能够吞噬周围靠近的任何物质,表面上看是因为它的强大引力,但是实质上应该是引力密度。

而一个微观粒子级别的微型黑洞,其视界直径只能是纳米级别甚至还要低许多个数量级,虽然有较大的引力,但是在巨大的空间曲率条件下,人体的微观结构根本不会改变。二是黑洞的蒸发问题。按照霍金的理论,对于黑洞来说,量子空间会被其周围强引力场所极化,黑洞有很强的倾向去捕获反粒子,而在吞噬反粒子的过程中,正粒子会发生能量跃迁,可能使一部分粒子的运动距离大于视界半径,从而挣脱黑洞引力的束缚,于是黑洞损失了能量,也相应损失了质量。

这其实是一种形象化的设定,通过黑洞蒸发也就是辐射出去的物质,应该是光子而不是粒子,但是黑洞的质量随着蒸发的进行会发生亏损这已经是不争的事实。研究表明,越是质量小的黑洞,其温度越高,能量和质量损失速率就快。总结一下即使大型强子对撞机制造出微型黑洞,由于其质量非常小,其“蒸发”的时间也是非常短暂的,根据计算公式T=(520π*G^2 *M^3)/(h*C^4 )可以看出,这个时间与黑洞质量的立方呈正比。


文章TAG:
下一篇