Vino si tu pe pagina de Facebook pentru o stire de stiinta, explicata simplu, in fiecare zi!
Pagina de Facebook!
În fiecare zi, o nouă fotografie din universul nostru fascinant împreună cu o explicaţie scrisă de către un astronom profesionist: Astronomy Picture Of the Day
   
Fizica Povestita

I
Fizica Povestita

Lantul slabiciunilor, sau cum ar putea aparea o gaura neagra intr-un accelerator de particule

Autor: Presura Cristian

Iata ca saptamana trecuta a fost dat drumul la acceleratorul de particule Large Hadron Collider (LHC). Mult asteptat de lumea stiintifica, evenimentul a fost puternic contestat de o mare parte a masei de oameni obisnuiti, care au fost speriati ca LHC-ul ar putea crea gauri negre ce ar inghiti apoi Pamantul.

Cum s-a ajuns in aceasta stranie situatie? Cum este posibil ca cel mai mare experiment al inceputului de secol sa fie considerat un pericol pentru umanitate? Aici vom incerca sa derulam putin povestea stiintifica ce sta in spatele presupunerii apocaliptice.

Gaurile negre sunt in primul rand concentrari masive de materie, cu mult peste limita imaginabila a creierului nostru, fiecare milimetru cub de materie din gaura neagra cantarind cam un miliard de tone. La aceste densitati materia isi depaseste statutul de ceva care umple spatiul. Conform teoriei relativitatii generalizate, ea va putea curba spatiul insusi cu o asemenea putere, incat creaza efectiv o cusca pentru lumina, care nu mai poate scapa. Desigur, acelasi lucru se va intampla si cu materia absorbita de o astfel de gaura neagra, gaura neagra devenind astfel din ce in ce mai mare si deci din ce in ce mai efectiva in asimilarea materiei din jur.

Care este insa cea mai mica gaura neagra? Cum poate fi ea formata? Este interesant ca teoria moderna a fizicii poate spune putine lucruri despre aceasta limita inferioara a gaurilor negre. Aceasta in primul rand pentru ca gaurile negre foarte mici (microscopice) trebuie sa fie descrise in acelasi timp de doua teorii: cea a relativitatii generalizate (gravitatia) si cea a teoriei cuantice a campului (forma avansata a mecanicii cuantice). Ori, la ora actuala, tocmai aceste doua teorii nu au putut fi unificate! Ce este mai interesant, este ca tocmai de aceea a fost construit acceleratorul LHC, pentru a gasi si indicii in urma carora cele doua teorii sa fie unificate…

Desigur insa, ne putem face o idee despre cea mai mica gaura neagra daca combinam doua aspecte fundamentale ale celor doua teorii: raza Schwarzschild (dimensiunea clasica a gaurii negre) si lungimea de unda Compton (dimensiunea cuantica a gaurii negre). Raza Schwarzschild ne spune cat de mult trebuie comprimam o bucata de pamant pentru a creea din ea o gaura neagra (in cazul celor cateva miliarde de tone ea ar trebui sa fie cam 1 milimetru).

Lungimea de unda Compton ne spune care este dimensiunea cuantica minima a oricarei particule sau obiect (si deci si a gaurii negre). Astfel, daca vrem sa aflam mai precis dimensiunea unei particule cu un microscop, trebuie sa trimitem un foton (cuanta luminii) de o lungime de unda mai mica decat lungimea Compton. Acesta va avea insa suficienta energie pentru a crea din neant o particula si o antiparticula de acelasi tip, pentru ca lungimea Compton este data tocmai de dublul masei de repaus a particulei. Cum particula creata va fi identica cu cea originala, noi nu mai stim care era pozitia particulei originale! Astfel, in mecanica cuantica, nu putem cunoaste pozitia particulei (sau a obiectului) cu o precizie mai mare decat cea data de lungimea de unda Compton. Cu alte cuvinte, dimensiunea minima particulei (sau a obiectului, sau a gaurii negre) este data de lungimea de unda Compton.

Este clar atunci ca cea mai mica gaura neagra trebuie gasita la intersectia celor doua valori, adica atunci cand raza Schwarzschild a gaurii negre este identica cu lungimea de unda Compton. Un calcul rapid arata atunci ca masa de repaus a unei astfel de gauri negre microscopice este data de ceea ce se numeste masa Planck, 1019GeV (1eV este energia unu electron accelerat intr-un camp electric de 1 Volt).

Sa remarcam ca energia particulelor (sau obiectelor) ce vor fi create de catre acceleratorul LHC este de cel mult 104GeV, cu alte cuvinte, de milioane de miliarde de ori mai mica… Conform acestui calcul minimal, nu sunt sanse de a putea crea o astfel de gaura neagra microscopica. La urma urmei, acceleratorul Tevatron ciocneste de ani de zile particule cu energii de 103GeV (de zece ori mai mici decat cele ale LHC-ului) si pana acum nu s-a observat nimic care sa indice o gaura neagra, sa nu mai vorbim de un potential pericol pentru Pamant…

De unde atunci zvonul ca LHC-ul ar putea crea o gaura neagra? Ei bine, totul a inceput cu dorinta fizicienilor de a intelege masele si energiile particulelor obisnuite. Acestea sunt de ordinul a cativa MeV ori GeV, adica mult mai mici decat masa lui Planck (1019GeV). Daca Universul ar fi fost complet aleator, atunci ne-am fi asteptat ca in el mecanica cuantica si relativitatea generalizata sa fi fost la fel de importante, iar atunci particulele create ar fi avut mase de repaus de ordinul masei lui Planck. Dar nu, Universul nostru este foarte ordonat, ceea ce face posibila aparitia particulelor de mase foarte mici. Este ca si cum ne-am uita la suprafata unui ocean si ne-am astepta sa vedem valuri de ordinul metrilor sau centimetrilor, dar in schimb gasim o suprafata perfect lucioasa, cu ‘valuri’ microscopice, de ordinul micrometrilor. Desigur, in acest caz am spune mai degraba ca oceanul este inghetat, o analogie care se potriveste bine situatiei din fizica particulelor elementare.

Pentru a explica prezenta particulelor de mase mult mai mici, fizicienii N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos si G. Dvali au propus, in anul 1998, un mecanism special, bazat pe teoria coardelor si un Univers multi-dimensional. Aici trebuie spus, de la inceput, ca teoria coardelor nu a fost inca verificata experimental, desi a fost o teorie agreata multi ani la rand. In aceasta teorie fiecare particula ar fi descrisa de niste coarde vibrante. In varianta speciala propusa de cei trei fizicieni, coardele acestea se manifesta in Universul nostru cu trei dimensiuni spatiale, cu o singura exceptie: campul gravitational. Astfel, Universul nostru ar fi incapsulat intr-un Univers cu mult mai multe dimensiuni, dupa cum o foaie de hartie bidimensionala ar face parte din familiarul spatiu trei-dimensional. Nimic nu poate parasi Universul nostru (deci foaia bidimensionala in exemplul nostru) exceptand campul gravitational. In acel spatiu gol, nevazut si neatins de noi, s-ar plimba numai gravitoni (cuanta campului gravitational) care ar interactiona cu Universul nostru, sau cu alte Universuri (aici, ne putem imagina mai multe suprafete bi-dimensionale asezate una langa cealalta).

Fizicienii Arkani-Hamed, Dimopoulos si Dvali au propus aceasta teorie pentru a explica de ce particulele au o masa mult mai mica decat masa Planck. Masa particulelor observate ar fi data atunci de numarul de dimensiuni aditionale ale Universului (cele pe care nu le putem vedea) si de lungimea la care efectul propus joaca un rol. Al doilea element trebuie introdus caci, pentru distantele obisnuite, este clar ca nu exista aceste dimensiuni aditionale. Asta nu atat pentru ca nu vedem aceasta ‘zona interzisa’ a Universului (caci in teoria aceasta oricum nu o putem ‘vedea’ decat cu gravitoni) ci pentru ca ne asteptam ca legea de atractie gravitationala a lui Newton sa devieze de la forma patratica, deoarece campul gravitational se poate extinde si in dimensiunile aditionale! Ori, pana astazi, nimeni nu a masurat vreo deviere de la forma patratica a legii lui Newton pe distante mici, cel putin pana la distante ceva mai mici decat milimetrul.

Desigur, argumentul experimental de mai sus ar parea ca elimina din start prezenta unor dimensiuni spatiale aditionale accesibile numai campului gravitational, insa sa nu uitam ca lungimea critica poate fi ajustata si in functie de numarul de dimensiuni aditionale… In final, putem aduna argumentele experimentalistilor, cum ca nici teoria coardelor nu a fost verificata experimental, nici prezenta unor dimensiuni aditionale, insa nu putem inca elimina teoretic posibilitatea acestora! Cu alte cuvinte, teoretic, teoria celor trei fizicieni poate fi adevarata, desi improbabila… Cum spuneam, tocmai de aceea cei trei fizicieni asteapta rezultatele experimentelor de la LHC, pentru a verifica teoria lor…

Sa ramanem deci in cadrul teoriei celor trei fizicieni si sa ne imaginam ce altceva s-ar putea intampla. Consecinta care ne intereseaza pe noi este cea referitoare la gaurile negre. Astfel, se poate arata ca, in cadrul teoriei, introducerea de dimensiuni aditionale accesibile numai gravitonului are o consecinta speciala: micsorarea efectiva a masei Planck! Aceasta a fost de fapt si scopul initial al fizicienilor. Daca masa Planck efectiva este de ordinul GeV-lor, adica de ordinul maselor particulelor obisnuite, inseamna ca am gasit mecanismul pe care il cautam (motivul ‘inghetarii’ Universului in modelul oceanului nostru). Pentru gaura neagra microscopica, a carei masa era masa Planck, consecinta este imediata: ea poate avea o masa de ordinul GeV-lor, ceea ce inseamna ca ea poate fi obtinuta experimental la LHC!

Acum insa, chiar si consecinta de mai sus nu i-a speriat pe fizicieni, ba din contra! Astfel, acestia cred puternic in ceea ce se numeste mecanismul Hawking de evaporare a gaurilor negre. Aici, tot datorita mecanicii cuantice, campul gravitational de la marginea gaurii negre este atat de intens incat poate produce perechi de particule si antiparticule. Una dintre ele va cadea in gaura neagra, dar cealalta, fiind in afara razei Schwarzschild, va putea scapa definitiv de langa gaura neagra. Cum energia initiala de producere vine de la gaura neagra (din campul sau gravitational) inseamna ca gaura neagra isi va pierde in timp energia si deci masa sa, devenind din ce in ce mai mica. Pentru gaurile negre microscopice, un calcul rapid arata ca acestea se vor evapora in nu mai putin de 10-26 secunde! Cu alte cuvinte, ele nici nu au timp sa adune ceva materie din jur, ca se vor evapora. Numai bine, spun fizicienii, care spera ca, in urma evaporarii, gaura neagra sa genereze perechi de particule si antiparticule specifice care sa lase o urma sigura a prezentei acestei gauri negre microscopice.

Sa recapitulam acum stadiul in care ne aflam. Pentru a genera gauri negre, trebuie ca Universul sa aiba dimensiuni aditionale precis ajustate in asa fel incat masa Planck efectiva sa fie tocmai de ordinul de masura a ceea ce se va masura cu acceleratorul LHC (nici mai mica, caci nu am gasit gauri negre la Tevatron, nici mai mare, caci atunci nu s-ar putea masura cu LHC-ul…). In plus, pentru a deveni ‘periculoasa’ gaura neagra nu trebuie sa se evaporeze prin mecanismul Hawking, lucru care este aproape de necrezut de orice teoretician…

Pentru continuitatea argumentului, sa acceptam cele doua supozitii foarte improbabile de mai sus si sa mergem mai departe cu argumentul. La urma urmei, exista experimentalisti care spun ca mecanismul Hawking nu a fost verificat in practica (aceasta pentru ca gaurile negre cunoscute sunt prea mari pentru ca mecanismul Hawking sa joace un rol). Şi daca?

Ei bine, in acest caz putem deveni constienti de faptul ca evenimente de tipul celor de la LHC au loc in fiecare zi in partea superioara a atmosferei, acolo unde razele cosmice bombardeaza in continuu Pamantul. Aici este bine cunoscut ca energia particulelor incidente o depaseste pe cea de la LHC. Estimari obisnuite ale acestor impacturi ne spun ca, in decursul istoriei Pamantului, au avut loc de un milion de ori mai multe astfel de evenimente decat intr-un an de functionare continua a LHC-ului. Cu alte cuvinte, daca era sa se produca pana acum o gaura neagra, s-ar fi produs… Argumentul este puternic, sa recunoastem, insa are o slabiciune ascunsa.

Astfel, razele cosmice ce lovesc Pamantul au o viteza foarte mare, iar atomii din atmosfera ce sunt loviti sunt initial in repaus. Datorita legilor de conservare ale impulsului, particulele create in aceste ciocniri (si deci si ipotetica gaura neagra) au o viteza foarte mare. In acest fel, gaura neagra ar putea traversa aproape instantaneu Pamantul, fara sa aiba timp sa inghita Pamantul… Ori, in experimentele de la LHC, particulele care colizioneaza au aceleasi viteze, iar impulsul total initial este nul. Atunci, produsele de reactie au viteze mici, tocmai pentru a putea fi observate! In acest caz si gaura neagra ar avea o viteza mica, ceea ce face posibil ca ea sa fie atrasa incet de centrul Pamantului, de unde sa-l inghita incetul cu incetul… Cu alte cuvinte, putem spune ca radiatia cosmica genereaza gauri negre, doar ca acestea traverseaza rapid Pamantul si de aceea nu le-am observat in decursul istoriei Pamantului, pe cand cele de la LHC vor fi aproape in repaus si au timp destul sa manance Pamantul…

Pentru a studia si aceasta posibilitate, fizicienii Steven B. Giddings and Michelangelo L. Mangano au publicat luna trecuta un alt studiu detaliat. Aici, ei scot in evidenta in primul rand faptul ca gaurile negre create la LHC sau in atmosfera sunt probabil incarcate electric (ori posibil cu alte sarcini), pentru ca si particulele din care provin (raze cosmice sau protoni la LHC) sunt incarcate electric. In acest caz ele vor fi radiat in scurt timp energie electromagnetica, ceea ce le va incetini miscarea. Din calculele celor doi fizicieni, orice gaura neagra incarcata electric care are energie initiala mai mica de 7TeV ar trebui sa fie oprita pana in centrul Pamantului, inclusiv cele din razele cosmice ce lovesc Pamantul. Ori, aceasta inseamna ca ar fi trebuit pana acum sa observam efectul unei astfel de gauri negre in centrul Pamantului.

Desigur insa, exista teoretic si posibilitatea ca in urma unor reactii alternative gaurile negre generate de razele cosmice sa fie neutre electric, caz in care ele ar fi scapat campului gravitational al Pamantului… Sa remarcam insa ca in acest caz trebuie sa presupunem ca toate gaurile negre produse sunt neutrale sau de energii mai mari decat 7TeV, pentru ca altfel le-am fi observat… Gauri negre neutrale sunt insa posibile, daca ne imaginam ca sarcina electrica a particulelor initiale incarcate din gaura neagra este compensata de alte particule create in proces. In acest caz, gaura neagra neutrala creata de LHC are sansa sa fie acaparata de Pamant si, in general, de orice corp de masa mai mare.

Timpul in care o gaura neagra microscopica este insa un alt element crucial, caci gaura neagra trebuie sa inghita Pamantul prin cunoscutul disc de acretie. Aici, atomii ce vor fi mancati vor trebui sa oscileze o buna bucata de timp in jurul gaurii negre. Intr-o analiza standard, cei doi fizicieni gasesc ca gaurii negre microscopice i-ar lua cam 100 de miliarde de ani ca sa inghita Pamantul, un timp suficient de mare ca sa nu ne ingrijoram… Numai intr-o teorie foarte indepartata ei gasesc timpi de ordinul a mii de ani.

Pentru a elimina si aceasta posibilitate, cei doi fizicieni si-au concentrat atentia asupra corpurilor mai masive, ca piticele albe si stelele neutronice. Cum acestea sunt mai masive, ai au o sansa si mai mare de a fi inghitite de eventualele gauri negre ce se formeaza acolo (neutrale sau nu). Ei au calculat astfel care este rata in care cele doua tipuri de stele pot fi inghitite de eventuale gauri negre microscopice. In cazul piticelor albe, acestea pot fi inghitite in cativa ani. Mult mai interesant este cazul gaurilor negre, unde se obtin chiar timpi mult mai scurti. Lucrul acesta este de inteles, pentru ca stelele neutronice au deja densitate foarte mare, apropiata de cea a gaurilor negre. Aici situatia este critica si o singura gaura neagra microscopica poate declansa o reactie in lant, determinand disparitia aproape instantanee a stelei neutronice.

Desigur, in aceasta situatie ar trebui sa avem un Univers plin de astfel de evenimente. Am vedea nu numai stele neutronice disparand, dar si efecte aditionale pentru celelalte stele, ca de exemplu variatii de intensitate datorate inghitirii lor de catre gaurile negre microscopice. Inca o data, nici astfel de efecte nu au fost observate de astronomi.

Sumarizand, nu putem elimina complet producerea unor gauri negre microscopice periculoase la acceleratorul LHC, dar aceasta nu pentru ca am avea o teorie foarte probabila care sa anticipeze aceste evenimente, ci pentru ca imaginatia teoreticienilor nu are limite… Dupa cum vedem, pentru a obtine gauri negre la LHC trebuie ca Universul sa aiba dimensiuni aditionale perfect ajustate, trebuie ca radiatia Hawking sa nu existe, gaurile negre sa fie neutrale si sa poata aparea pe Pamant dar nu pe celelalte stele unde efectul lor ar fi fost mult mai vizibil…

Cu alte cuvinte, numai prin niste mecanisme extrem de improbabile este posibil ca LHC-ul sa produca gauri negre care sa inghita Pamantul. Daca fizicienii si-au dorit ca acestea sa fie puse in evidenta, iata insa ca reactia publicului larg a fost complet opusa. Dincolo de argumentele tehnice, ramane insa discutia etica in jurul unor astfel de experimente. Poate ca acum comunitatea stiintifica a invatat ca, pentru o justificare in fata platitorilor de taxe, este bine ca un studiu etic sa fie efectuat cu ceva timp inainte de lansarea unui proiect stiintific.

Pentru cei cu inima tare si simtul umorului (negru) iata aici cam cum ar arata evenimentul neasteptat: http://www.cyriak.co.uk/lhc/lhc-webcams.html. Multumesc lui Gabi pentru link!

Abonează-te la newletter:

Caută în site



Formular de contact

Advertisment ad adsense adlogger