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物理學(xué)中的行尸走肉

 大科技雜志社 2019-11-08

當(dāng)一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎表明有全新的東西出現(xiàn)時(shí),那么后續(xù)的實(shí)驗(yàn)要么確認(rèn)這個(gè)發(fā)現(xiàn)(這有可能使得教科書被重寫),,要么表明它是一個(gè)測量異?;?qū)嶒?yàn)失誤——這才是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的完整過程。但是在物理學(xué),、天文學(xué)和宇宙學(xué)中,,一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎始終停留在光與影之間的中間地帶,不能肯定,也不能否定,,就像一具僵尸一樣放在那兒,。


邪惡軸心

宇宙大爆炸產(chǎn)生的余暉,稱為宇宙微波背景輻射,,它在宇宙各處幾乎都是均勻的,。從一點(diǎn)到另一點(diǎn),其溫度的變化要小于十萬分之一,。宇宙學(xué)家將這些微小的溫度漲落看作一種隨機(jī)的結(jié)果,。2003年,美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行了測量,,繪制出了整個(gè)天空背景輻射的溫度分布圖,。不過,所繪制的溫度分布圖卻顯示出了一些異常的圖案:神秘的大冷斑潛伏在南方的天空上,;天空中大部分地方的溫度都要比預(yù)期的更加均勻,;在某個(gè)波段下的溫度分布圖中,似乎還存在著一條明顯的線,,貫穿天空,,被稱為“邪惡軸心”,。

一些科學(xué)家認(rèn)為,,這些異常應(yīng)該是WMAP測量時(shí)出現(xiàn)的誤差導(dǎo)致的。WMAP又進(jìn)行一系列后續(xù)的觀測,,而之后由歐洲航天局所發(fā)射的靈敏度更高的普朗克衛(wèi)星也對(duì)此做了調(diào)查,,但是這些異常仍舊存在。

這些異常圖案沒有辦法被否定掉,,但科學(xué)家還無法解釋它們,,就這樣半死不活的已十多年了。一批科學(xué)家認(rèn)為它們更有可能只是一種隨機(jī)的結(jié)果,。事實(shí)上,,在隨機(jī)溫度分布圖中,你肯定能找到很多稀奇古怪的圖案,。而另一批科學(xué)家卻認(rèn)為,,這些異常圖案的存在是有理由的。他們開始尋求相關(guān)的解釋,,尤其是對(duì)那個(gè)大冷斑的解釋,。在未來,,對(duì)宇宙微波背景輻射更為精確地觀測也許會(huì)決定究竟哪一批科學(xué)家是正確的。


季節(jié)性的暗物質(zhì)信號(hào)

就像鬼魂可以穿過墻體一樣,,星系中的暗物質(zhì)會(huì)不斷地從各個(gè)方向穿過地球,,甚至?xí)┻^我們的身體。盡管暗物質(zhì)被認(rèn)為占了宇宙物質(zhì)總量的85%左右,,但是我們從來沒能直接檢測到它們,。然而,從上個(gè)世紀(jì)90年代末開始,,坐落于意大利大薩索山下的名為DAMA的地下實(shí)驗(yàn)室,,已經(jīng)不斷地檢測到一種可能是暗物質(zhì)在與碘化鈉晶體發(fā)生碰撞的信號(hào),。這些信號(hào)的強(qiáng)度是隨著季節(jié)發(fā)生變化的。這個(gè)理論是符合預(yù)期的,,因?yàn)殡S著地球的公轉(zhuǎn),,地球相對(duì)于周圍暗物質(zhì)的速度就會(huì)發(fā)生季節(jié)性的改變。

然而,,其他原因也會(huì)產(chǎn)生隨著季節(jié)變化的信號(hào),,這意味著檢測到的信號(hào)不一定是由暗物質(zhì)產(chǎn)生的。然而后續(xù)的其他實(shí)驗(yàn)都沒有找到DAMA所檢測的那種信號(hào),。那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是真實(shí)可靠的,,還是子虛烏有的?如果是真實(shí)的,,是由暗物質(zhì)引起的,,還是由別的原因引起的?沒有人能夠給出一個(gè)確鑿的證據(jù),,只能半死不活地放在那兒,。

現(xiàn)在,DAMA項(xiàng)目仍在繼續(xù)積累證據(jù),,希望這個(gè)實(shí)驗(yàn)最終能被證明,。而在南半球有兩個(gè)檢測暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)正計(jì)劃研究這個(gè)季節(jié)性的信號(hào):一個(gè)實(shí)驗(yàn)是建于南極冰層下的DM-Ice實(shí)驗(yàn),另一個(gè)是位于澳大利亞的思朵地下物理實(shí)驗(yàn)室(目前正在建造當(dāng)中)的實(shí)驗(yàn),。南半球的季節(jié)與北半球的相反,,也許那里的實(shí)驗(yàn)將最終可以解決那個(gè)神秘的信號(hào)。


銀河系中神秘的光芒

在太空中,,更多的有關(guān)暗物質(zhì)的戲劇性故事正在上演,。2009年,兩位物理學(xué)家從美國宇航局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)中,,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)神秘的異常之多的伽馬射線,。他們認(rèn)為這種伽馬射線無法用已知的物質(zhì)來解釋,更有可能是集中在銀河系中心附近的暗物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞并互相湮滅產(chǎn)生的,。

之后,,一些其他的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)伽馬射線也提出了解釋,卻沒有涉及到暗物質(zhì),。例如一些解釋認(rèn)為,,伽馬射線來源于脈沖星——一種恒星死亡后的殘骸,但是還沒人能確定這肯定不是暗物質(zhì)產(chǎn)生的,。在過去的幾個(gè)月里,,荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的理論天體物理學(xué)家們?cè)谝黄恼轮辛信e了各種證據(jù),一些證據(jù)可以證實(shí)這是由暗物質(zhì)產(chǎn)生的這種猜想,,另一些卻又可以證偽這種猜想,,結(jié)果仍然莫衷一是。


詭異的質(zhì)子半徑差異

鑒于質(zhì)子是宇宙中最常見的和被充分研究過的粒子,,許多人會(huì)認(rèn)為物理學(xué)家對(duì)質(zhì)子的大小會(huì)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),,但事實(shí)并非如此。

傳統(tǒng)上,,研究人員要想測量質(zhì)子的大小,,需要測量氫原子中的電子從低能級(jí)變?yōu)楦吣芗?jí)時(shí)所需的能量,而質(zhì)子的半徑?jīng)Q定著這個(gè)能量的大小,。而在2010年,,來自德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的一個(gè)研究小組利用了一種全新的技術(shù)測量了質(zhì)子的半徑。他們把氫原子的電子替換為μ子(一種帶負(fù)電荷的粒子),,然后測量把μ子從低能級(jí)變?yōu)楦吣芗?jí)時(shí)所需的能量,。因?yàn)棣套颖入娮又?00多倍,這樣使得測量變得更加容易,。但是,,他們測量的結(jié)果卻比傳統(tǒng)的結(jié)果小了約4%。

2013年,,第二個(gè)使用μ子測量技術(shù)的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了質(zhì)子的半徑與傳統(tǒng)的測量存在差異,。這使得研究人員推測,差異是否是因?yàn)槭褂昧甩套蛹夹g(shù)而產(chǎn)生的,,他們?cè)噲D找到μ子技術(shù)的缺陷,,但卻怎么也找不到。

與此同時(shí),,也沒有人能找出電子測量技術(shù)哪里出了問題,。一系列新的實(shí)驗(yàn)正在開展,也許會(huì)解決質(zhì)子半徑之謎,。鑒于質(zhì)子對(duì)于粒子物理學(xué)的重要性,,研究人員希望把這具“僵尸”盡快入土為安,。


驚人的OMG粒子

超高能宇宙射線有時(shí)也被稱為“我的天啊”(Oh My God)粒子,其能量比人類用粒子加速器制造的最強(qiáng)粒子的能量還要高出上千萬倍,,但是它們的來源卻是一個(gè)謎,,我們不知道宇宙中哪些已知現(xiàn)象可以產(chǎn)生它們。2007年,,位于阿根廷的皮埃爾·奧格宇宙線觀測站的研究人員發(fā)現(xiàn),,超高能宇宙射線似乎集中在附近個(gè)別星系的“熱點(diǎn)”上。這些熱點(diǎn)位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞那里,,于是研究人員推測超高能宇宙射線可能是圍繞黑洞的過熱物質(zhì)產(chǎn)生的,。但隨著觀測站積累的更多數(shù)據(jù),似乎又否定了這種可能,。

超高能宇宙射線來自于星系熱點(diǎn)的觀點(diǎn)似乎行將死亡,,然而位于美國猶他州的望遠(yuǎn)鏡陣列最近又探測到了來自于星系熱點(diǎn)的超高能宇宙射線。但這仍不能表明“超高能宇宙射線來自于熱點(diǎn)”的觀點(diǎn)就此被證實(shí)了,,因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)大大不足,。研究人員每年通過望遠(yuǎn)鏡只能檢測到兩個(gè)或三個(gè)事件,所以可能還需要很多年才能搞清楚超高能宇宙射線的真實(shí)面目,。

變來變?nèi)サ腉

引力的強(qiáng)度究竟是多少,?在牛頓的萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對(duì)論中,都用萬有引力常數(shù)G來衡量引力的強(qiáng)度,。然而,,令人驚訝的是,G究竟是多少,,物理學(xué)家們?nèi)匀徊荒苓_(dá)成一致,。使用不同技術(shù)的實(shí)驗(yàn)給出了不同大小的G值。尤其是那些基于量子物理的實(shí)驗(yàn),,使得G值差異問題變得更加糟糕,。

于是,一項(xiàng)倡議提了出來:讓來自世界各地的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合起來,,一起去尋找一個(gè)解決方案,。研究人員需要一個(gè)全新的解決辦法,于是美國國家科學(xué)基金會(huì)贊助了一個(gè)將在2016年舉行的“頭腦風(fēng)暴”會(huì)議,。來自從事不同物理學(xué)分支研究的研究人員將花一周時(shí)間試圖想出一個(gè)策略來解決G值差異問題,。當(dāng)然,最終結(jié)果也可能是,,大家都不知道如何解決這個(gè)問題,。

另外也有這種可能,G值差異不是因測量問題引起的,,而是來自全新的東西,。一些物理學(xué)家認(rèn)為,,使用不同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)得出不同的結(jié)果,是因?yàn)橐Φ奈锢韺W(xué)本身需要加以修訂,。如果是這樣,,這具“僵尸”可能是一個(gè)處在偽裝中的美麗新生命。


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