物理學(xué)未解之謎

物理學(xué)未解之謎第一頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三這里講述的是一個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的故事：有兩位在同一個(gè)大學(xué)、不同領(lǐng)域工作的科學(xué)家。一位研究的是遠(yuǎn)離地球的巨大物體，而另外一位則為身邊的微小物質(zhì)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(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，另外一位則制造出了世界上最好的顯微鏡。當(dāng)他們分別把自己的儀器對(duì)準(zhǔn)了更加遙遠(yuǎn)和更加微小的物體時(shí)，他們開(kāi)始觀察到從所未見(jiàn)、或者說(shuō)從未想象到過(guò)的結(jié)構(gòu)和行為。他們激動(dòng)不已，但是又非常懊喪，因?yàn)楝F(xiàn)有的理論無(wú)法解釋他們觀察到的現(xiàn)象。有一天，兩人離開(kāi)自己的實(shí)驗(yàn)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(kāi)始不無(wú)同情地討論起如何解釋他們所遇到的難題來(lái)。突然間，兩人不約而同地意識(shí)到，他們雖然觀察的是宇宙的兩個(gè)相對(duì)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(xué)家抓住了它不斷擺動(dòng)的尾巴，另一位則抓住了它碩大的鼻子。在對(duì)照了筆記之后，兩人才發(fā)現(xiàn)，其實(shí)他們抓住的是同一頭動(dòng)物。第二頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三如今的粒子物理學(xué)家和天文學(xué)家們所面對(duì)的正是這樣的局面。物理學(xué)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(lái)研究那些小得看不見(jiàn)的粒子。天文學(xué)家們則利用十幾臺(tái)新的超大尺寸的望遠(yuǎn)鏡，也在研究著同樣做小的粒子，但是他們的研究對(duì)象是在太空里。這場(chǎng)奇異的信息撞車意味著，獲取粒子物理學(xué)中圣杯般的成就--也就是對(duì)自然界所有四種力（電磁力、弱力、強(qiáng)力和引力）的統(tǒng)一的理解--將會(huì)部分地由天文學(xué)家獲得。這些工作所隱含的意義使科學(xué)家們興奮不已，因?yàn)樵谝酝?，互不相干的現(xiàn)象的奇異結(jié)合曾經(jīng)創(chuàng)造出了理解的飛躍。舉例來(lái)說(shuō)，畢達(dá)格拉斯就曾經(jīng)證實(shí)了抽象數(shù)學(xué)可以應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中，從而使科學(xué)世界大受震動(dòng)。而當(dāng)牛頓發(fā)現(xiàn)行星的運(yùn)動(dòng)和蘋(píng)果的掉落都是由于引力的作用時(shí)，人們對(duì)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(xué)的新紀(jì)元。而這當(dāng)中最偉大的理論統(tǒng)一者愛(ài)因斯坦，則是把物質(zhì)、能量、空間和時(shí)間編織在了一起。但是迄今為止，還沒(méi)有人能夠?qū)⒘孔恿W(xué)的微小世界與我們透過(guò)望遠(yuǎn)鏡所看到的廣大世界編織在一起。當(dāng)這兩者走到一起時(shí)第三頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三物理學(xué)家們意識(shí)到，他們正在非常接近一個(gè)單一的"萬(wàn)物理論"，可以解釋自然界萬(wàn)物的運(yùn)行，它也就是人們長(zhǎng)期以來(lái)所追尋的統(tǒng)一場(chǎng)論。大約在兩年前，在美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)的董事會(huì)的一次報(bào)告會(huì)對(duì)兩種場(chǎng)的合并日程進(jìn)行了表述之后，美國(guó)國(guó)家航空航天局的行政官丹尼爾·戈?duì)柖〗ㄗh推出一份特別報(bào)告，對(duì)天文學(xué)家和物理學(xué)家們從彼此的研究中能夠受益多少進(jìn)行詳細(xì)的表述。不久之前，該理事會(huì)的宇宙物理學(xué)委員會(huì)發(fā)布了這份報(bào)告，其中詳細(xì)列舉了十一個(gè)博大的謎團(tuán)，其中的一些可能在十年內(nèi)就得到解答。如果是這樣的話，科學(xué)將發(fā)生歷史上最偉大的一次飛躍。讓我們首先來(lái)看看，我們還不了解答案的是那些謎團(tuán)呢？第四頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三謎團(tuán)一什么是暗物質(zhì)我們能夠找到的普通物質(zhì)大概只占宇宙的百分之四左右。我們的這個(gè)推論結(jié)果，是通過(guò)計(jì)算讓星系聚集在一起、并且讓他們以巨大的星團(tuán)形式運(yùn)動(dòng)需要多少質(zhì)量而得出來(lái)的。另一種給無(wú)法看見(jiàn)的物質(zhì)稱重的方式，是觀察引力如何使來(lái)自遙遠(yuǎn)物質(zhì)的光發(fā)生彎曲。每次測(cè)量都告訴天文學(xué)家們，宇宙中多數(shù)的物質(zhì)是看不見(jiàn)的。人們可能會(huì)禁不住認(rèn)為宇宙一定是充滿了灰塵或是由不動(dòng)的恒星構(gòu)成的黑色星云，并且滿足于此，但是非常有說(shuō)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(zhì)，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(shuō)服力的是，宇宙學(xué)家們已經(jīng)可以對(duì)宇宙大爆炸之后所發(fā)生的核反應(yīng)進(jìn)行精確的計(jì)算，并且將預(yù)期的結(jié)果和實(shí)際的宇宙成分進(jìn)行比較。這些計(jì)算表明，由人們熟悉的質(zhì)子和中子組成的普通物質(zhì)的總量，比起宇宙的總質(zhì)量來(lái)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?nèi)祟惖奈镔|(zhì)所構(gòu)成的。宇宙學(xué)家和粒子物理學(xué)家們聚在了一起。在未被發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)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(yù)測(cè)的，但是從未被人們探測(cè)到過(guò)。所有這三種粒子的電性都被認(rèn)為是中性的，因此他們無(wú)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(lái)。第五頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三謎團(tuán)二什么是暗能量

宇宙學(xué)近期的發(fā)現(xiàn)證實(shí)，普通物質(zhì)和暗物質(zhì)還不足以解釋宇宙的結(jié)構(gòu)。還有第三種成分未被發(fā)現(xiàn)，它并非物質(zhì)，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(lái)自于對(duì)宇宙幾何形狀的測(cè)量。愛(ài)因斯坦的理論認(rèn)為，所有的物質(zhì)都會(huì)改變它周圍空間和時(shí)間的形狀。因此，宇宙的整體形狀就是由它內(nèi)部全部的物質(zhì)和能量來(lái)主宰的。近期對(duì)宇宙大爆炸遺留下來(lái)的輻射所進(jìn)行的研究表明，宇宙的形狀再簡(jiǎn)單不過(guò)了--它是扁平的！這個(gè)發(fā)現(xiàn)反過(guò)來(lái)也揭示出了宇宙的總體質(zhì)量密度。但是在將所有的暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的潛在來(lái)源加起來(lái)之后，天文學(xué)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(duì)遠(yuǎn)方的超新星進(jìn)行觀察之后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙擴(kuò)張的速度并不象他們?cè)瓉?lái)所假定的那樣在放慢；事實(shí)上，這種擴(kuò)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(shí)間和空間的結(jié)構(gòu)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(kuò)張為什么是在加速。可以考慮這樣一個(gè)類比：如果你把一個(gè)空的氣密容器上的密封的活塞向后拉，你會(huì)在容器里制造出一個(gè)近似的真空。起初，活塞上幾乎沒(méi)有什么阻力，但是你拉出活塞越多，真空就越確實(shí)，活塞上產(chǎn)生的對(duì)抗力也就越大。盡管外太空的真空能是由量子力學(xué)奇異的定律，而不是由一個(gè)拉拽活塞的人灌輸進(jìn)去的，這個(gè)例子也足以說(shuō)明負(fù)壓力是如何產(chǎn)生排斥力的第六頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三謎團(tuán)三

從鐵到鈾這些重元素是怎樣形成的

暗物質(zhì)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(shí)期。較重的元素稍后在恒星內(nèi)部形成，核反應(yīng)將質(zhì)子和中子擠壓在一起形成了新的原子核。例如，四個(gè)氫核（每個(gè)帶一個(gè)質(zhì)子）經(jīng)過(guò)一系列的聚變形成了一個(gè)氦核（含有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子）。這就是在太陽(yáng)內(nèi)部每時(shí)每刻所發(fā)生的事情，也就是這個(gè)過(guò)程帶給了我們地球光和熱。因此，天文學(xué)家們猜測(cè)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(yīng)量非常充足，但是這個(gè)過(guò)程具體是如何發(fā)生的卻無(wú)人知曉。更近一段時(shí)間，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始推斷，至少有些最重的元素，如金和鉛，是在當(dāng)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(shí)所發(fā)生的更強(qiáng)大的爆炸過(guò)程中生成的。第七頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三謎團(tuán)四微中子有質(zhì)量嗎那些創(chuàng)造出重元素的核反應(yīng)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(zhì)發(fā)生相互作用，它們能夠直接向我們展示恒星的內(nèi)部的情況。當(dāng)然，我們只有捕捉到并研究這些粒子才有可能做到這一點(diǎn)，不過(guò)物理學(xué)家們已經(jīng)在學(xué)習(xí)和嘗試著這樣做了。不久以前，物理學(xué)家們還認(rèn)為微中子是沒(méi)有質(zhì)量的，但是最近的研究進(jìn)展卻表明，這些粒子可能有著很小的質(zhì)量。與之相關(guān)的任何證據(jù)都會(huì)有助于驗(yàn)證一套理論，用它可以尋求對(duì)四種自然力之中的三種--電磁力、強(qiáng)力和弱力進(jìn)行描述。即便是很小的一點(diǎn)點(diǎn)重量也能夠疊加起來(lái)積少成多，因?yàn)閺挠钪娲蟊ㄖ辛舸嫦聛?lái)的粒子實(shí)在是不計(jì)其數(shù)。第八頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三謎團(tuán)五超高能粒子從何而來(lái)

來(lái)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(nèi)的各種粒子中，能量最強(qiáng)的被稱為宇宙射線。它們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在轟炸著地球，當(dāng)你讀著這篇文章的時(shí)候就有幾束射線穿過(guò)你的身體。有時(shí)候，宇宙射線強(qiáng)大之極，他們必定是在威力驚人的催化劑作用下，產(chǎn)生于宇宙的加速器之中。科學(xué)家猜想，對(duì)它的來(lái)源有幾種猜測(cè)：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(zhì)被吸入巨大的黑洞時(shí)所產(chǎn)生的加速作用。了解了這些粒子如何產(chǎn)生以及如何獲得如此巨大的能量，將會(huì)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(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三謎團(tuán)六是否需要引入新的光和物質(zhì)理論，來(lái)解釋在極高溫度下所發(fā)生的事情

問(wèn)題五中所提到的那些劇烈的撞擊過(guò)程，留下了一些可以看見(jiàn)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(guò)去的三十多年中，天文學(xué)家們已經(jīng)知道，這些射線所產(chǎn)生的、被成為伽瑪射線爆發(fā)的明亮閃爍，每天都會(huì)從天空的各個(gè)方向任意地來(lái)到我們身邊。近年來(lái)，他們已經(jīng)查明了這些爆發(fā)的位置，初步可以確定它們來(lái)自于超新星強(qiáng)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(dāng)如此多的能量匯聚到一起時(shí)會(huì)發(fā)生什么事情呢？這個(gè)問(wèn)題即便時(shí)至今日，也沒(méi)有人能夠做出多少解答來(lái)。在那種情況下，物質(zhì)變得紅熱無(wú)比，它與輻射通過(guò)人們并不熟悉的方式交互發(fā)生作用，而輻射產(chǎn)生的光子彼此撞擊在一起生成新的物質(zhì)。物質(zhì)和能量之間的區(qū)別這時(shí)變得模糊了。再加上磁力的因素，物理學(xué)家們對(duì)在這樣可怕的場(chǎng)景下所發(fā)生的事情就只有大致猜測(cè)的份了，或許現(xiàn)行的理論根本就不足以對(duì)這些現(xiàn)象做出解釋呢。第十頁(yè)，共十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三謎團(tuán)七在超高的溫度和密度下是否存在物質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)

在能量極強(qiáng)的情況下，物質(zhì)會(huì)進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換，原子會(huì)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(jīng)不能被分割成更小的部分了?？淇藰O個(gè)質(zhì)子由三個(gè)夸克組成），而這些質(zhì)子和中子又進(jìn)一步與輕子（比如電子）結(jié)合而形成整個(gè)原子。例如，氫原子就是由一個(gè)圍繞單個(gè)質(zhì)子旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成的。原子呢，它們又轉(zhuǎn)而和其他的原子結(jié)合起來(lái)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(yù)見(jiàn)的科學(xué)所告訴我們的，但是當(dāng)溫度和密度比地球上的要大數(shù)十億倍的時(shí)候，組成原子的基本部分彼此可能會(huì)完全地被強(qiáng)硬拆開(kāi)，從而形成由夸克和將夸克結(jié)合在一起的能量組成的等離子體。物理學(xué)家們正試圖在長(zhǎng)島的一臺(tái)粒子對(duì)撞機(jī)上創(chuàng)造出這種夸克--膠子式的物質(zhì)狀態(tài)來(lái)。而在物理學(xué)家們遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法創(chuàng)造出來(lái)的更高的溫度和壓力之下，這種等離子體可能會(huì)轉(zhuǎn)變成為一種新的物質(zhì)或者能量形式。這種物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變還可能會(huì)揭示出自然界新的力的存在。這些新的力將會(huì)加入到我們已知的一種調(diào)節(jié)夸克行為的力的行列中去。所謂的強(qiáng)力是將這些粒子結(jié)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(zhuǎn)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(zhì)子和電子這樣的帶電粒子結(jié)合在一起。正如其名字所暗示的那樣，強(qiáng)力是三種力之中最強(qiáng)有力的，它比電磁力要強(qiáng)勁100倍以上，而比弱力更是要強(qiáng)勁10000倍以上。粒子物理學(xué)家們懷疑，這三種力有可能是單一的能量場(chǎng)的三種不同的表現(xiàn)形式，這與電力和磁力分別代表一個(gè)電磁場(chǎng)的不同方面非常相似。實(shí)際上，物理學(xué)家們已經(jīng)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(chǎng)理論認(rèn)為，在宇宙大爆炸剛剛發(fā)生后的超熱的原始宇宙之中，強(qiáng)力、弱力、電磁力和其他力只是一種力