物理學未解之謎

物理學未解之謎第一頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三這里講述的是一個現(xiàn)代物理學的故事：有兩位在同一個大學、不同領域工作的科學家。一位研究的是遠離地球的巨大物體，而另外一位則為身邊的微小物質所著迷。為了滿足人們的好奇心，一位制造出了世界上威力最強大的望遠鏡，另外一位則制造出了世界上最好的顯微鏡。當他們分別把自己的儀器對準了更加遙遠和更加微小的物體時，他們開始觀察到從所未見、或者說從未想象到過的結構和行為。他們激動不已，但是又非常懊喪，因為現(xiàn)有的理論無法解釋他們觀察到的現(xiàn)象。有一天，兩人離開自己的實驗儀器去喝杯咖啡休息一下，正巧在系里的休息室里相遇，于是開始不無同情地討論起如何解釋他們所遇到的難題來。突然間，兩人不約而同地意識到，他們雖然觀察的是宇宙的兩個相對的極端，但是他們觀察到的卻是同樣的現(xiàn)象。就向盲人摸象一樣，一位科學家抓住了它不斷擺動的尾巴，另一位則抓住了它碩大的鼻子。在對照了筆記之后，兩人才發(fā)現(xiàn)，其實他們抓住的是同一頭動物。第二頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三如今的粒子物理學家和天文學家們所面對的正是這樣的局面。物理學家們利用線性和環(huán)形粒子加速器作為他們高分辨率的"顯微鏡"，來研究那些小得看不見的粒子。天文學家們則利用十幾臺新的超大尺寸的望遠鏡，也在研究著同樣做小的粒子，但是他們的研究對象是在太空里。這場奇異的信息撞車意味著，獲取粒子物理學中圣杯般的成就--也就是對自然界所有四種力（電磁力、弱力、強力和引力）的統(tǒng)一的理解--將會部分地由天文學家獲得。這些工作所隱含的意義使科學家們興奮不已，因為在以往，互不相干的現(xiàn)象的奇異結合曾經創(chuàng)造出了理解的飛躍。舉例來說，畢達格拉斯就曾經證實了抽象數(shù)學可以應用于現(xiàn)實世界當中，從而使科學世界大受震動。而當牛頓發(fā)現(xiàn)行星的運動和蘋果的掉落都是由于引力的作用時，人們對世界的理解發(fā)生了同樣的飛躍。麥克斯韋爾統(tǒng)一了磁力和電力，從而創(chuàng)造出了物理學的新紀元。而這當中最偉大的理論統(tǒng)一者愛因斯坦，則是把物質、能量、空間和時間編織在了一起。但是迄今為止，還沒有人能夠將量子力學的微小世界與我們透過望遠鏡所看到的廣大世界編織在一起。當這兩者走到一起時第三頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三物理學家們意識到，他們正在非常接近一個單一的"萬物理論"，可以解釋自然界萬物的運行，它也就是人們長期以來所追尋的統(tǒng)一場論。大約在兩年前，在美國國家研究理事會的董事會的一次報告會對兩種場的合并日程進行了表述之后，美國國家航空航天局的行政官丹尼爾·戈爾丁建議推出一份特別報告，對天文學家和物理學家們從彼此的研究中能夠受益多少進行詳細的表述。不久之前，該理事會的宇宙物理學委員會發(fā)布了這份報告，其中詳細列舉了十一個博大的謎團，其中的一些可能在十年內就得到解答。如果是這樣的話，科學將發(fā)生歷史上最偉大的一次飛躍。讓我們首先來看看，我們還不了解答案的是那些謎團呢？第四頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三謎團一什么是暗物質我們能夠找到的普通物質大概只占宇宙的百分之四左右。我們的這個推論結果，是通過計算讓星系聚集在一起、并且讓他們以巨大的星團形式運動需要多少質量而得出來的。另一種給無法看見的物質稱重的方式，是觀察引力如何使來自遙遠物質的光發(fā)生彎曲。每次測量都告訴天文學家們，宇宙中多數(shù)的物質是看不見的。人們可能會禁不住認為宇宙一定是充滿了灰塵或是由不動的恒星構成的黑色星云，并且滿足于此，但是非常有說服力的論據(jù)表明事情并非如此。首先，盡管有辦法發(fā)現(xiàn)即使是以最黑暗形式存在的物質，人們尋找丟失的星云和恒星的每一次嘗試都失敗了。第二，也是最有說服力的是，宇宙學家們已經可以對宇宙大爆炸之后所發(fā)生的核反應進行精確的計算，并且將預期的結果和實際的宇宙成分進行比較。這些計算表明，由人們熟悉的質子和中子組成的普通物質的總量，比起宇宙的總質量來要小很多，不論剩下的東西是什么，它都不太可能是由組成我們人類的物質所構成的。宇宙學家和粒子物理學家們聚在了一起。在未被發(fā)現(xiàn)的暗物質中，首要的候選者是微中子和其他兩種粒子：線中子和軸粒子，這兩種粒子是由一些物理理論所預測的，但是從未被人們探測到過。所有這三種粒子的電性都被認為是中性的，因此他們無法吸收或者反射光，但是又具有足夠的穩(wěn)定性，能夠從宇宙大爆炸后的最初階段留存下來。第五頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三謎團二什么是暗能量

宇宙學近期的發(fā)現(xiàn)證實，普通物質和暗物質還不足以解釋宇宙的結構。還有第三種成分未被發(fā)現(xiàn)，它并非物質，而是某種形式的暗能量。這種神秘成分存在的第一批證據(jù)，來自于對宇宙幾何形狀的測量。愛因斯坦的理論認為，所有的物質都會改變它周圍空間和時間的形狀。因此，宇宙的整體形狀就是由它內部全部的物質和能量來主宰的。近期對宇宙大爆炸遺留下來的輻射所進行的研究表明，宇宙的形狀再簡單不過了--它是扁平的！這個發(fā)現(xiàn)反過來也揭示出了宇宙的總體質量密度。但是在將所有的暗物質和普通物質的潛在來源加起來之后，天文學家們發(fā)現(xiàn)，他們還少了三分之二。第二批證據(jù)提示人們，神秘的成分必定是一種能量。對遠方的超新星進行觀察之后，科學家們發(fā)現(xiàn)宇宙擴張的速度并不象他們原來所假定的那樣在放慢；事實上，這種擴張的速度在增加之中。除非存在著一種遍布宇宙的、不斷地將時間和空間的結構向外推出的排斥力，這種宇宙加速度是很難解釋的。

釋了宇宙的擴張為什么是在加速?？梢钥紤]這樣一個類比：如果你把一個空的氣密容器上的密封的活塞向后拉，你會在容器里制造出一個近似的真空。起初，活塞上幾乎沒有什么阻力，但是你拉出活塞越多，真空就越確實，活塞上產生的對抗力也就越大。盡管外太空的真空能是由量子力學奇異的定律，而不是由一個拉拽活塞的人灌輸進去的，這個例子也足以說明負壓力是如何產生排斥力的第六頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三謎團三

從鐵到鈾這些重元素是怎樣形成的

暗物質和可能存在的暗能量都是起源于宇宙最早期，也就是氦和理等元素誕生的時期。較重的元素稍后在恒星內部形成，核反應將質子和中子擠壓在一起形成了新的原子核。例如，四個氫核（每個帶一個質子）經過一系列的聚變形成了一個氦核（含有兩個質子和兩個中子）。這就是在太陽內部每時每刻所發(fā)生的事情，也就是這個過程帶給了我們地球光和熱。因此，天文學家們猜測較重的原子是在超新星的爆炸中形成的，這里現(xiàn)成中子的供應量非常充足，但是這個過程具體是如何發(fā)生的卻無人知曉。更近一段時間，科學家們已經開始推斷，至少有些最重的元素，如金和鉛，是在當兩顆中子星--那些小小的、燃燒殆盡的星體殘骸--碰撞并形成黑洞時所發(fā)生的更強大的爆炸過程中生成的。第七頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三謎團四微中子有質量嗎那些創(chuàng)造出重元素的核反應同樣也創(chuàng)造出了大量幽靈般的亞原子微粒，它們被稱為微中子，屬于一組被稱為輕子的粒子群，這其中還包括我們熟悉的電子、μ介子和陶粒子。由于微中子極少和普通物質發(fā)生相互作用，它們能夠直接向我們展示恒星的內部的情況。當然，我們只有捕捉到并研究這些粒子才有可能做到這一點，不過物理學家們已經在學習和嘗試著這樣做了。不久以前，物理學家們還認為微中子是沒有質量的，但是最近的研究進展卻表明，這些粒子可能有著很小的質量。與之相關的任何證據(jù)都會有助于驗證一套理論，用它可以尋求對四種自然力之中的三種--電磁力、強力和弱力進行描述。即便是很小的一點點重量也能夠疊加起來積少成多，因為從宇宙大爆炸中留存下來的粒子實在是不計其數(shù)。第八頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三謎團五超高能粒子從何而來

來自宇宙空間，包括微中子、伽瑪射線光子和各種其他的亞原子散粒子在內的各種粒子中，能量最強的被稱為宇宙射線。它們無時無刻不在轟炸著地球，當你讀著這篇文章的時候就有幾束射線穿過你的身體。有時候，宇宙射線強大之極，他們必定是在威力驚人的催化劑作用下，產生于宇宙的加速器之中?？茖W家猜想，對它的來源有幾種猜測：可能是宇宙大爆炸本身，可能是超新星發(fā)出的沖擊波與黑洞發(fā)生撞擊，也可能是星系中央的物質被吸入巨大的黑洞時所產生的加速作用。了解了這些粒子如何產生以及如何獲得如此巨大的能量，將會讓我們了解這些劇烈沖撞的物體的行為方式有所了解。第九頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三謎團六是否需要引入新的光和物質理論，來解釋在極高溫度下所發(fā)生的事情

問題五中所提到的那些劇烈的撞擊過程，留下了一些可以看見的輻射蹤跡，其中伽瑪射線尤為突出--它是普通光的表兄，但是卻具有極高的能量。過去的三十多年中，天文學家們已經知道，這些射線所產生的、被成為伽瑪射線爆發(fā)的明亮閃爍，每天都會從天空的各個方向任意地來到我們身邊。近年來，他們已經查明了這些爆發(fā)的位置，初步可以確定它們來自于超新星強大的爆炸，以及中子星彼此之間以及中子星與黑洞的碰撞。但是當如此多的能量匯聚到一起時會發(fā)生什么事情呢？這個問題即便時至今日，也沒有人能夠做出多少解答來。在那種情況下，物質變得紅熱無比，它與輻射通過人們并不熟悉的方式交互發(fā)生作用，而輻射產生的光子彼此撞擊在一起生成新的物質。物質和能量之間的區(qū)別這時變得模糊了。再加上磁力的因素，物理學家們對在這樣可怕的場景下所發(fā)生的事情就只有大致猜測的份了，或許現(xiàn)行的理論根本就不足以對這些現(xiàn)象做出解釋呢。第十頁，共十一頁，編輯于2023年，星期三謎團七在超高的溫度和密度下是否存在物質的新狀態(tài)

在能量極強的情況下，物質會進行一系列的轉換，原子會分裂成其最小組分。這些組分就是被稱為夸克和輕子的基本粒子，就目前我們所知，他們已經不能被分割成更小的部分了。夸克極個質子由三個夸克組成），而這些質子和中子又進一步與輕子（比如電子）結合而形成整個原子。例如，氫原子就是由一個圍繞單個質子旋轉的電子構成的。原子呢，它們又轉而和其他的原子結合起來形成分子，比如水分子就是這樣。隨著溫度的上升，分子又從如冰一樣的固體狀態(tài)，變成如水一樣的液態(tài)，再變成如蒸汽一樣的氣態(tài)。這些都是我們所了解的、可以預見的科學所告訴我們的，但是當溫度和密度比地球上的要大數(shù)十億倍的時候，組成原子的基本部分彼此可能會完全地被強硬拆開，從而形成由夸克和將夸克結合在一起的能量組成的等離子體。物理學家們正試圖在長島的一臺粒子對撞機上創(chuàng)造出這種夸克--膠子式的物質狀態(tài)來。而在物理學家們遠遠無法創(chuàng)造出來的更高的溫度和壓力之下，這種等離子體可能會轉變成為一種新的物質或者能量形式。這種物質狀態(tài)的轉變還可能會揭示出自然界新的力的存在。這些新的力將會加入到我們已知的一種調節(jié)夸克行為的力的行列中去。所謂的強力是將這些粒子結合在一起的主要媒介。而第二種被稱為弱力的原子力，則可以將一種類型的夸克轉變成頂上和底部）。最后一種原子力，也就是電磁力，它可以將諸如質子和電子這樣的帶電粒子結合在一起。正如其名字所暗示的那樣，強力是三種力之中最強有力的，它比電磁力要強勁100倍以上，而比弱力更是要強勁10000倍以上。粒子物理學家們懷疑，這三種力有可能是單一的能量場的三種不同的表現(xiàn)形式，這與電力和磁力分別代表一個電磁場的不同方面非常相似。實際上，物理學家們已經揭示出了電磁力和弱力之間潛在的統(tǒng)一性。有些統(tǒng)一場理論認為，在宇宙大爆炸剛剛發(fā)生后的超熱的原始宇宙之中，強力、弱力、電磁力和其他力只是一種力