Akceleratory energii Plancka

Najwyższą energią, jaką można sobie wyobrazić dla cząstki elementarnej, jest tak zwana energia Plancka . Dzięki tej energii mechanika kwantowa zmienia naturę grawitacji, a oddziaływanie grawitacyjne jest równie silne jak oddziaływanie elektromagnetyczne, słabe i silne. Energia Plancka jest o 19 rzędów wielkości większa niż masa protonu. Aby to osiągnąć, proton musi zostać przyspieszony do relatywistycznego współczynnika Lorentza równego 10 do potęgi 19.

W mechanice kwantowej zasada nieoznaczoności Heisenberga oznacza, że ​​położenie cząstki można określić z dokładnością równą stałej Plancka podzielonej przez pęd cząstki. Przy energii Plancka ta niepewność jest tak mała jak horyzont zdarzeń czarnej dziury o równoważnej masie Plancka.

Wielki Wybuch mógł rozpocząć się z temperaturą równą energii Plancka w czasie Plancka, czyli o 43 rzędy wielkości krótszym niż sekunda, ale od tego czasu wszystkie cząstki kosmiczne znacznie się ochłodziły w wyniku kosmicznej ekspansji. Oczekuje się, że żadne naturalne astrofizyczne akceleratory nie przywrócą cząstek energii Plancka.

Można się jednak zastanawiać, czy zaawansowana technologicznie cywilizacja mogła zainwestować znaczne środki w najbardziej ambitne eksperymentalne poszukiwania nowej fizyki poprzez rozbijanie protonów z najwyższą możliwą energią, w duchu ostatecznego rozszerzenia Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN . Co pociągałby za sobą akcelerator energii Plancka?

W artykule z 1951 roku ówczesny fizyk z Harvardu, Julian Schwingerwyprowadził górną granicę siły pola elektrycznego. Przekładając na nasz kontekst, to maksymalne pole elektryczne odpowiada spadkowi potencjału elektrycznego energii Plancka ponad dziesięciokrotnie większemu niż Słońce. Silniejsze pole elektryczne załamuje się, spontanicznie tworząc pary elektron-pozyton z próżni. Zgodnie z elektrodynamiką kwantową próżnia zawiera fluktuacje wirtualnych par elektron-pozyton. W rezultacie amplituda pola reprezentująca spadek potencjału elektrycznego o dwukrotność masy elektronu w stosunku do niepewności skali długości związanej z masą elektronu wytworzyłaby te pary i szybko spadłaby do słabszej amplitudy. Oznacza to, że wymagany rozmiar akceleratora energii Plancka musi być większy niż dziesięć razy większy od Słońca.

Wiązka akceleratora mogłaby pozwolić na ucieczkę wysokoenergetycznych cząstek, gdyby przyspieszenie nastąpiło w strumieniu o odpowiednio dużym masowym współczynniku Lorentza, tak aby obserwowana energia przyspieszanych cząstek była wzmacniana przez współczynnik Lorentza wypływu, w którym następuje przyspieszenie. Sytuacja jest podobna do sytuacji występującej w rozbłyskach gamma pochodzących z relatywistycznych dżetów. Warunek przezroczystości dla osiągnięcia energii Plancka wymaga wypływu z masowym współczynnikiem Lorentza większym niż milion. Chociaż to wyzwanie jest w zasadzie osiągalne, istnieje większa przeszkoda związana ze słabością przekroju interakcji przy energii Plancka.

Opierając się na zasadzie unitarności , przekrój poprzeczny dla zderzeń przeciwnych wiązek protonów o środku masy o energii równej energii Plancka jest kwadratem skali długości Plancka, w przybliżeniu stała Newtona razy stała Plancka podzielona przez prędkość światła do sześcianu. Ten przekrój jest o 41 rzędów wielkości mniejszy niż całkowity przekrój dla zderzeń proton-proton. Ogromny stosunek między nimi oznacza, że ​​tylko jedno zderzenie na 10 do potęgi 41 zderzeń protonów przy energii Plancka spowoduje interakcję energii Plancka, podczas gdy pozostałe doprowadzą do deszczu cząstek o niższej energii. Aby wytworzyć jedno neutrina o energii Plancka w wyniku zderzenia wysokoenergetycznych protonów, potrzeba całkowitej energii równej 10 do potęgi 41 razy większej od energii Plancka lub równoważnej tysiąckrotności masy Słońca.

To nierealne wymaganie oznacza, że ​​jeśli wykryjemy neutrina energetyczne Plancka, to musi istnieć inne źródło ich produkcji niż akcelerator zaprojektowany technologicznie.

Jedną z możliwości jest to, że cząstki energii Plancka są reliktami pierwotnych czarnych dziur o masie mniejszej niż asteroida wielkości kilometra, które wyparowały pod wpływem promieniowania Hawkinga w epoce Wszechświata. Inną możliwością jest to, że cząstki energii Plancka są produktami rozpadu bardziej masywnych cząstek, być może tworzących część ciemnej materii.

Nie powinniśmy jednak wykluczać możliwości, że nasze obecne rozumienie fizyki jest niepełne. Większość gwiazd podobnych do Słońca powstała miliardy lat przed Słońcem. Zaawansowana cywilizacja naukowa, która wyprzedziła nas o miliard lat, mogła znaleźć skrót do stworzenia posłańców energii Plancka. Jeśli kiedykolwiek wykryjemy wiązkę neutrin energetycznych Plancka, będziemy wiedzieć, gdzie szukać nowej fizyki.

Powinniśmy badać Wszechświat agnostycznie jako doświadczenie edukacyjne. Znalezienie inteligentniejszych pozaziemskich naukowców w naszym kosmicznym sąsiedztwie może być dla nas szybszym sposobem poznania fizyki energii Plancka niż czekanie, aż nasze własne agencje finansujące zbudują akcelerator energii Plancka. Moje córki przeżyły szok psychologiczny, gdy spotkały mądrzejsze dzieci w pierwszym dniu w przedszkolu. Przyznanie się, że naukowiec mądrzejszy od Alberta Einsteina urodził się miliard lat temu na egzoplanecie, może być ciosem dla naszego ego. Ale jeśli rezygnacja z naszej naukowej arogancji jest jedyną ceną, jaką musimy zapłacić za uratowanie miliarda lat naszej eksploracji naukowej — niech tak będzie.

O AUTORZE

Avi Loeb jest szefem projektu Galileo, dyrektorem-założycielem inicjatywy Black Hole Initiative na Uniwersytecie Harvarda, dyrektorem Instytutu Teorii i Obliczeń w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics oraz byłym przewodniczącym wydziału astronomii na Uniwersytecie Harvarda (2011 –2020). Przewodniczy radzie doradczej projektu Breakthrough Starshot i jest byłym członkiem Prezydenckiej Rady Doradców ds. Nauki i Technologii oraz byłym przewodniczącym Rady ds. Fizyki i Astronomii Akademii Narodowych. Jest autorem bestsellera „ Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life Beyond Earth ” oraz współautorem podręcznika „ Life in the Cosmos ”, oba opublikowane w 2021 roku. Jego nowa książka zatytułowana „ Interstellar ”, ma ukazać się w sierpniu 2023 roku.