เราจะ… สร้างหลุมดำในห้องปฏิบัติการหรือไม่?

ความกลัวว่า Large Hadron Collider สามารถสร้างหลุมดำที่ทำลายโลกได้อาจจะไม่มีมูล แต่ถ้าเราต้องการจะสร้างมันขึ้นมาจริงๆ เราทำได้ไหม Matthew Francis ถาม

ก่อนที่ Large Hadron Collider (LHC) จะเริ่มดำเนินการในปี 2008 กลุ่มคนกลุ่มเล็กๆ แต่มีเสียงดังก็โกลาหล พวกเขาคิดว่า LHC นั้นทรงพลังมาก เมื่อมันชนโปรตอนเข้าด้วยกันด้วยความเร็วแสงเพียงเล็กน้อย มันจะสามารถผลิตอนุภาคแปลกปลอมหรือหลุมดำขนาดเล็กได้ พวกเขาอ้างว่าโลกสามารถถูกทำลายได้

ตามที่นักฟิสิกส์หลายคนชี้ให้เห็นอย่างรวดเร็ว สถานการณ์ภัยพิบัติเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นไปไม่ได้ ส่วนที่เหลือไม่น่าเป็นไปได้ที่จะไม่คู่ควรแก่การอภิปราย ประการหนึ่ง จักรวาลมีเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังกว่า LHC มาก เช่น ซุปเปอร์โนวาและหลุมดำ และอนุภาคจากสิ่งเหล่านี้กระทบชั้นบรรยากาศของโลกตลอดเวลา เราปลอดภัยจากรังสีคอสมิกเหล่านั้น ดังนั้นเราจึงปลอดภัยจากการทดลองของ LHC

แต่ขอเปลี่ยนคำถาม จะเป็นอย่างไรถ้าเราต้องการสร้างหลุมดำ และเรารู้ว่าการทำเช่นนั้นจะไม่เป็นอันตราย – เราจะทำได้หรือไม่

หลุมดำทั้งใหญ่และเล็ก

หลุมดำมีสนามโน้มถ่วงรุนแรงจนไม่มีอะไรสามารถหนีมันได้ แม้แต่แสง ที่เรารู้จักนั้นเกิดจากการตายของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรามาก (หลุมดำมวลดาวฤกษ์) หรือจากกระบวนการต่างๆ ในเอกภพยุคแรก เรายังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าก่อตัวเป็นหลุมดำมวลมหาศาลที่พบที่ ศูนย์กลางของกาแล็กซีส่วนใหญ่ รวมทั้งกาแล็กซีของเราด้วย ในทั้งสองกรณีนี้ เราสังเกตหลุมดำผ่านกล้องโทรทรรศน์โดยอ้อม ผ่านพฤติกรรมของสสารที่หมุนรอบตัวพวกมัน และผ่านอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อวัตถุอื่นๆ

หลุมดำทุกหลุมที่ยังคงเห็นนั้นมีขนาดมหึมาเมื่อเทียบกับวัตถุทางดาราศาสตร์ อย่างไรก็ตาม นั่นไม่ได้ตัดความเป็นไปได้ของหลุมดำมวลต่ำมากโดยอัตโนมัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากพวกมันสามารถผลิตได้ด้วยวิธีการอื่นนอกเหนือจากการตายของดาวฤกษ์ หลักการเบื้องหลัง LHC คือการชนกันของพลังงานสูงสามารถสร้างอนุภาคใหม่ได้ โดยอยู่ภายใต้กฎของแรงพื้นฐาน ได้แก่ แม่เหล็กไฟฟ้า แรงอ่อน แรงรุนแรง และแรงโน้มถ่วงสูงหากพลังงานที่เกี่ยวข้องอย่างน่าประหลาดใจ ตัวอย่างเช่น ฮิกส์โบซอนที่มีชื่อเสียงไม่มีอยู่ภายใต้สภาวะปกติเพราะอายุการใช้งานก่อนที่จะสลายไปเป็นอนุภาคอื่นนั้นสั้นมาก อย่างไรก็ตาม การมีปฏิสัมพันธ์กับพลังงานที่เพียงพอซึ่งเกี่ยวข้องกับกำลังอ่อนสามารถสร้างพลังงานได้นานพอที่นักวิทยาศาสตร์ของ LHC จะบันทึกได้

จากมุมมองฟิสิกส์ของอนุภาค เราสามารถนึกถึงหลุมดำเล็กๆ ว่าเป็นอนุภาคชนิดใหม่ที่ควบคุมโดยแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงเป็นแรงพื้นฐานที่อ่อนแอที่สุด เหตุผลที่มันควบคุมดาวเคราะห์และดวงดาวก็เพราะมวลสองก้อนใดดึงดูดกัน ในขณะที่ประจุไฟฟ้าดึงดูดหรือผลักไสออกไป โดยเฉลี่ยออกมาเป็นศูนย์ แรงโน้มถ่วงจะแรงขึ้นไม่เฉพาะเมื่อมวลสองก้อนใหญ่ขึ้นเท่านั้น แต่เมื่อมวลทั้งสองเข้าใกล้กันมากขึ้นด้วย ในระยะที่เล็กมากจะมีกำลังเท่ากันกับกองกำลังอื่นๆ อันที่จริง “เล็กมาก” เป็นการพูดน้อยอย่างลึกซึ้ง: ระยะทางที่เรียกว่าความยาวพลังค์นั้นเล็กกว่านิวเคลียสอะตอมประมาณ 1,020 เท่า (ตามตัวเลข ความยาวพลังค์ประมาณ 1.6 × 10-35 เมตร เทียบกับขนาด 1 x 10-15 เมตรของนิวเคลียส

ที่เลวร้ายกว่านั้น มีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกันระหว่างขนาดและพลังงาน: การตรวจสอบเครื่องชั่งขนาดเล็กต้องใช้พลังงานจำนวนมาก มาตราส่วนพลังงานที่เกี่ยวข้องกับความยาวของพลังค์ – พลังงานพลังค์ – มากกว่า LHC ประมาณ 1,015 เท่า เห็นได้ชัดว่าเป็นปัญหาที่ผ่านไม่ได้

ชั้นที่แปลกใหม่

แต่แนวคิดหนึ่งที่แฝงตัวอยู่รอบขอบของฟิสิกส์มาตรฐานคือแนวคิดที่ว่าความเป็นจริงของเราประกอบด้วยมากกว่ามิติทั้งสี่ของกาล-อวกาศ นักฟิสิกส์หลายคนในช่วงศตวรรษที่ผ่านมาได้เพิ่มมิติพิเศษอย่างน้อยหนึ่งมิติในการผสมด้วยเหตุผลหลายประการ: การรวมพลังแห่งธรรมชาติ การแก้ปัญหาที่ยุ่งยากบางอย่างในฟิสิกส์อนุภาค หรือแม้แต่อธิบายว่าทำไมแรงโน้มถ่วงจึงอ่อนมากเมื่อเทียบกับแรงอื่นๆ ทฤษฎี superstring น่าจะเป็นที่รู้จักกันดีที่สุดในแนวคิดเหล่านี้ โดยมีมิติเพิ่มเติมอีกเจ็ดมิติที่ขดเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา อย่างไรก็ตาม สเกลของ superstrings ปัญหามาตรฐานที่อ้างถึงยังคงเป็นความยาวพลังค์ ดังนั้นจึงไม่ทำให้เราเข้าใกล้การสร้างหลุมดำในห้องปฏิบัติการมากขึ้น

ทฤษฎีอื่น ๆ เรียกร้องให้มีมิติพิเศษ “ใหญ่”: ส่วนที่ยังคงเป็นจุลทรรศน์ แต่ใหญ่กว่าความยาวของพลังค์อย่างมาก ขนาดที่ใหญ่ขึ้นทำให้พวกเขาใกล้เคียงกับระดับพลังงานที่วัดได้มาก เพื่อเปรียบเทียบ ขนาดของมิติพิเศษ “ใหญ่” เหล่านี้คล้ายกับความหนาของกระดาษ ในขณะที่ด้านแบนของกระดาษจะคล้ายกับมิติ “ปกติ” ของกาลอวกาศ

น่าเสียดายที่มีทฤษฎีเหล่านี้มากเกินไปที่จะอธิบายได้ทั้งหมด แต่เราสามารถแยกออกเป็นสองประเภทหลัก ๆ ได้แก่ วัตถุปกติ – ควาร์ก อิเล็กตรอน ฯลฯ – ถูกจำกัดอยู่ในกาล-อวกาศสี่มิติปกติของเรา และประเภทหนึ่ง ซึ่งอนุภาคเหล่านั้นสามารถทะลุผ่านมิติที่เล็กเกินกว่าที่เราจะมองเห็นได้โดยตรง ประเภทแรกมีความน่าสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากขนาดพิเศษอาจมีขนาดใหญ่ถึงมิลลิเมตร ในขณะที่ประเภทที่สองต้องการขนาดของมิติใหม่ให้มีขนาดเล็กมาก

อย่างไรก็ตาม แรงโน้มถ่วงจะเดินทางผ่านมิติพิเศษเหล่านี้ได้ดี นำไปสู่การปรับเปลี่ยนกฎแรงในระดับที่มิติพิเศษกลายเป็นสิ่งสำคัญ การปรับเปลี่ยนเหล่านั้นอาจทำให้อนุภาคที่ชนกันสร้างหลุมดำขนาดเล็กได้ การผลิตสิ่งเหล่านี้อาจเป็นหลักฐานที่น่ารักสำหรับมิติพิเศษที่สมมติขึ้นเหล่านั้น

จุดที่หายไป

การอภิปรายนี้มี “ifs” ใหญ่ๆ อยู่หลายประการ: หากมีมิติพิเศษขนาดใหญ่และหากพวกมันมีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้เข้าใกล้สิ่งที่ LHC มีพลังมากพอที่จะสร้างได้ ก็อาจเป็นไปได้ที่จะสร้างหลุมดำที่มีมวลเทียบเท่ากับ อนุภาคมูลฐาน หากเราประสบความสำเร็จในเรื่องนี้ เราก็ยังต้องตรวจหาหลุมดำ ซึ่งไม่จำเป็นต้องตรงไปตรงมาเสมอไป

ตามทฤษฎีที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวาง (แม้ว่าจะยังไม่ทดลอง) หลุมดำสลายตัวผ่านกระบวนการที่เรียกว่ารังสีฮอว์คิง ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์สตีเฟน ฮอว์คิงผู้ค้นพบสิ่งนี้ อัตราการแผ่รังสีและการสลายตัวขึ้นอยู่กับขนาดของหลุมดำ โดยที่หลุมดำขนาดใหญ่จะสลายตัวช้ามากและหลุมที่เล็กกว่าจะระเหยอย่างรวดเร็ว นั่นเป็นเหตุผลสำคัญว่าทำไมเราถึงไม่ต้องกลัวว่าจะเกิดหลุมดำขึ้นที่ LHC: ถ้านักฟิสิกส์จัดการเคล็ดลับ หลุมดำจะเล็กมากจนหายไปในเสี้ยววินาที นั่นเป็นเวลาน้อยเกินไปที่จะก่อให้เกิดอันตรายต่ออนุภาคในห้องตรวจจับ นับประสาโลกรอบ ๆ นั้น

แต่ผลลัพธ์ของการระเหยจะเป็นการระเบิดของอนุภาค และจำนวน ชนิด และมวลของพวกมันจะเป็นสปอร์หรือ ‘ลายเซ็น’ ของหลุมดำ มากเท่ากับผลิตภัณฑ์ที่สังเกตพบที่ LHC นั้นเป็นลายเซ็นของ Higgs boson . อย่างไรก็ตาม การคาดการณ์เฉพาะของลายเซ็นของรังสีฮอว์คิงนั้นขึ้นอยู่กับสิ่งที่ไม่ทราบบางอย่าง เช่นเดียวกับมิติพิเศษขนาดใหญ่รุ่นใดที่ถูกต้อง นั่นคือหากมีสิ่งใดที่สอดคล้องกับความเป็นจริงตั้งแต่แรก กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักทฤษฎีไม่เป็นประโยชน์: พวกเขาให้ความเป็นไปได้มากเกินไปสำหรับชนิดของอนุภาคที่จะมองหาในเครื่องตรวจจับอนุภาค

เมื่อทฤษฎีเป็นเสียงขรม การทดลองสามารถเปิดเผยท่วงทำนองที่ขาดหายไปได้ เครื่องตรวจจับที่เครื่องชนกันสามารถให้เบาะแสที่สำคัญทั้งหมดได้หากตรวจพบลายเซ็นของอนุภาคที่อธิบายได้ยากด้วยอนุภาคมาตรฐานที่เรารู้จักในปัจจุบัน ในทำนองเดียวกัน การที่ไม่มีการตรวจจับหลุมดำที่ LHC ในปัจจุบันทำให้เกิดการจำกัดขนาดสูงสุดของมิติพิเศษ และในทางกลับกัน ก็ลดรายการทฤษฎีที่มีมิติมากกว่าสี่มิติที่เป็นไปได้

ไม่จำเป็นต้องทำให้เรามีหลุมดำ แต่ถึงแม้ความล้มเหลวในการค้นหาหลุมดำขนาดเล็กก็สามารถบอกเราได้บางอย่างเกี่ยวกับธรรมชาติของความโน้มถ่วง

หน้าแรก