Physics 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Physics
标  题: 物理世界11个未解之谜
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月08日14:34:08 星期天), 站内信件

 　　这里讲述的是一个现代物理学的故事：有两位在同一个大学、不同领域工作
的科学家。一位研究的是远离地球的巨大物体，而另外一位则为身边的微小物质所
着迷。为了满足人们的好奇心，一位制造出了世界上威力最强大的望远镜，另外一
位则制造出了世界上最好的显微镜。当他们分别把自己的仪器对准了更加遥远和更
加微小的物体时，他们开始观察到从所未见、或者说从未想象到过的结构和行为。
他们激动不已，但是又非常懊丧，因为现有的理论无法解释他们观察到的现象。

　　有一天，两人离开自己的实验仪器去喝杯咖啡休息一下，正巧在系里的休息室
里相遇，于是开始不无同情地讨论起如何解释他们所遇到的难题来。突然间，两人
不约而同地意识到，他们虽然观察的是宇宙的两个相对的极端，但是他们观察到的
却是同样的现象。就向盲人摸象一样，一位科学家抓住了它不断摆动的尾巴，另一
位则抓住了它硕大的鼻子。在对照了笔记之后，两人才发现，其实他们抓住的是同
一头动物。
 
　　如今的粒子物理学家和天文学家们所面对的正是这样的局面。物理学家们利用
线性和环形粒子加速器作为他们高分辨率的"显微镜"，来研究那些小得看不见的粒
子。天文学家们则利用十几台新的超大尺寸的望远镜，也在研究着同样做小的粒子，
但是他们的研究对象是在太空里。这场奇异的信息撞车意味着，获取粒子物理学
中圣杯般的成就--也就是对自然界所有四种力（电磁力、弱力、强力和引力）的统
一的理解--将会部分地由天文学家获得。


　　这些工作所隐含的意义使科学家们兴奋不已，因为在以往，互不相干的现象的
奇异结合曾经创造出了理解的飞跃。举例来说，毕达格拉斯就曾经证实了抽象数学
可以应用于现实世界当中，从而使科学世界大受震动。而当牛顿发现行星的运动和
苹果的掉落都是由于引力的作用时，人们对世界的理解发生了同样的飞跃。麦克斯
韦尔统一了磁力和电力，从而创造出了物理学的新纪元。而这当中最伟大的理论统
一者爱因斯坦，则是把物质、能量、空间和时间编织在了一起。


　　但是迄今为止，还没有人能够将量子力学的微小世界与我们透过望远镜所看到
的广大世界编织在一起。当这两者走到一起时，物理学家们意识到，他们正在非常
接近一个单一的"万物理论"，可以解释自然界万物的运行，它也就是人们长期以来
所追寻的统一场论。


　　大约在两年前，在美国国家研究理事会的董事会的一次报告会对两种场的合并
日程进行了表述之后，美国国家航空航天局的行政官丹尼尔·戈尔丁建议推出一份
特别报告，对天文学家和物理学家们从彼此的研究中能够受益多少进行详细的表述
。不久之前，该理事会的宇宙物理学委员会发布了这份报告，其中详细列举了十一
个博大的谜团，其中的一些可能在十年内就得到解答。如果是这样的话，科学将发
生历史上最伟大的一次飞跃。


　　让我们首先来看看，我们还不了解答案的是那些谜团呢？


　　谜团一　什么是暗物质


　　我们能够找到的普通物质大概只占宇宙的百分之四左右。我们的这个推论结果
，是通过计算让星系聚集在一起、并且让他们以巨大的星团形式运动需要多少质量
而得出来的。另一种给无法看见的物质称重的方式，是观察引力如何使来自遥远物
质的光发生弯曲。每次测量都告诉天文学家们，宇宙中多数的物质是看不见的。


　　人们可能会禁不住认为宇宙一定是充满了灰尘或是由不动的恒星构成的黑色星
云，并且满足于此，但是非常有说服力的论据表明事情并非如此。首先，尽管有办
法发现即使是以最黑暗形式存在的物质，人们寻找丢失的星云和恒星的每一次尝试
都失败了。第二，也是最有说服力的是，宇宙学家们已经可以对宇宙大爆炸之后所
发生的核反应进行精确的计算，并且将预期的结果和实际的宇宙成分进行比较。这
些计算表明，由人们熟悉的质子和中子组成的普通物质的总量，比起宇宙的总质量
来要小很多，不论剩下的东西是什么，它都不太可能是由组成我们人类的物质所构
成的。

　　正是这寻找宇宙中丢失的一部分的探索过程，让宇宙学家和粒子物理学家们聚
在了一起。在未被发现的暗物质中，首要的候选者是微中子和其他两种粒子：线中
子和轴粒子，这两种粒子是由一些物理理论所预测的，但是从未被人们探测到过。
所有这三种粒子的电性都被认为是中性的，因此他们无法吸收或者反射光，但是又
具有足够的稳定性，能够从宇宙大爆炸后的最初阶段留存下来。 

　　谜团二　什么是暗能量


　　宇宙学近期的发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。还有第
三种成分未被发现，它并非物质，而是某种形式的暗能量。


　　这种神秘成分存在的第一批证据，来自于对宇宙几何形状的测量。爱因斯坦的
理论认为，所有的物质都会改变它周围空间和时间的形状。因此，宇宙的整体形状
就是由它内部全部的物质和能量来主宰的。近期对宇宙大爆炸遗留下来的辐射所进
行的研究表明，宇宙的形状再简单不过了--它是扁平的！这个发现反过来也揭示出
了宇宙的总体质量密度。但是在将所有的暗物质和普通物质的潜在来源加起来之后
，天文学家们发现，他们还少了三分之二。

　　第二批证据提示人们，神秘的成分必定是一种能量。对远方的超新星进行观察
之后，科学家们发现宇宙扩张的速度并不象他们原来所假定的那样在放慢；事实上
，这种扩张的速度在增加之中。除非存在着一种遍布宇宙的、不断地将时间和空间
的结构向外推出的排斥力，这种宇宙加速度是很难解释的。


　　暗能量为什么会产生一个排斥性的力场，这个问题有一点复杂。量子理论认为
，虚无的粒子可以突然出现，存在极短的时间，然后再遁于无形。这就是说，宇宙
的真空实际上并不是真正的空无一物。更恰当地说，空间充满了低级能量，这种能
量是在虚粒子和它们的反物质伙伴短时间地存在和消失时所创造出来的，这个过程
之后还有一个被称为真空能的非常小的场存留下来。

　　这种能量应该产生一种负的压力，或者说排斥力，因而也就解释了宇宙的扩张
为什么是在加速。可以考虑这样一个类比：如果你把一个空的气密容器上的密封的
活塞向后拉，你会在容器里制造出一个近似的真空。起初，活塞上几乎没有什么阻
力，但是你拉出活塞越多，真空就越确实，活塞上产生的对抗力也就越大。尽管外
太空的真空能是由量子力学奇异的定律，而不是由一个拉拽活塞的人灌输进去的，
这个例子也足以说明负压力是如何产生排斥力的。 

　　谜团三　从铁到铀这些重元素是怎样形成的


　　暗物质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诞生
的时期。较重的元素稍后在恒星内部形成，核反应将质子和中子挤压在一起形成了
新的原子核。例如，四个氢核（每个带一个质子）经过一系列的聚变形成了一个氦
核（含有两个质子和两个中子）。这就是在太阳内部每时每刻所发生的事情，也就
是这个过程带给了我们地球光和热。


　　但是聚变要产生比铁全党重的元素时，它需要非常多的中子。因此，天文学家
们猜测较重的原子是在超新星的爆炸中形成的，这里现成中子的供应量非常充足，
但是这个过程具体是如何发生的却无人知晓。更近一段时间，科学家们已经开始推
断，至少有些最重的元素，如金和铅，是在当两颗中子星--那些小小的、燃烧殆尽
的星体残骸--碰撞并形成黑洞时所发生的更强大的爆炸过程中生成的。

　　谜团四　微中子有质量吗


　　那些创造出重元素的核反应同样也创造出了大量幽灵般的亚原子微粒，它们被
称为微中子，属于一组被称为轻子的粒子群，这其中还包括我们熟悉的电子、μ介
子和陶粒子。由于微中子极少和普通物质发生相互作用，它们能够直接向我们展示
恒星的内部的情况。当然，我们只有捕捉到并研究这些粒子才有可能做到这一点，
不过物理学家们已经在学习和尝试着这样做了。

　　不久以前，物理学家们还认为微中子是没有质量的，但是最近的研究进展却表
明，这些粒子可能有着很小的质量。与之相关的任何证据都会有助于验证一套理论
，用它可以寻求对四种自然力之中的三种--电磁力、强力和弱力进行描述。即便是
很小的一点点重量也能够叠加起来积少成多，因为从宇宙大爆炸中留存下来的粒子
实在是不计其数。


　　谜团五　超高能粒子从何而来


　　来自宇宙空间，包括微中子、伽玛射线光子和各种其他的亚原子散粒子在内的
各种粒子中，能量最强的被称为宇宙射线。它们无时无刻不在轰炸着地球，当你读
着这篇文章的时候就有几束射线穿过你的身体。有时候，宇宙射线强大之极，他们
必定是在威力惊人的催化剂作用下，产生于宇宙的加速器之中。科学家猜想，对它
的来源有几种猜测：可能是宇宙大爆炸本身，可能是超新星发出的冲击波与黑洞发
生撞击，也可能是星系中央的物质被吸入巨大的黑洞时所产生的加速作用。了解了
这些粒子如何产生以及如何获得如此巨大的能量，将会让我们了解这些剧烈冲撞的
物体的行为方式有所了解。

　　谜团六　是否需要引入新的光和物质理论，


　　来解释在极高温度下所发生的事情


　　问题五中所提到的那些剧烈的撞击过程，留下了一些可以看见的辐射踪迹，其
中伽玛射线尤为突出--它是普通光的表兄，但是却具有极高的能量。过去的三十多
年中，天文学家们已经知道，这些射线所产生的、被成为伽玛射线爆发的明亮闪烁
，每天都会从天空的各个方向任意地来到我们身边。近年来，他们已经查明了这些
爆发的位置，初步可以确定它们来自于超新星强大的爆炸，以及中子星彼此之间以
及中子星与黑洞的碰撞。但是当如此多的能量汇聚到一起时会发生什么事情呢？这
个问题即便时至今日，也没有人能够做出多少解答来。在那种情况下，物质变得红
热无比，它与辐射通过人们并不熟悉的方式交互发生作用，而辐射产生的光子彼此
撞击在一起生成新的物质。物质和能量之间的区别这时变得模糊了。再加上磁力的
因素，物理学家们对在这样可怕的场景下所发生的事情就只有大致猜测的份了，或
许现行的理论根本就不足以对这些现象做出解释呢。



　　谜团七　在超高的温度和密度下


　　是否存在物质的新状态


　　在能量极强的情况下，物质会进行一系列的转换，原子会分裂成其最小组分。
这些组分就是被称为夸克和轻子的基本粒子，就目前我们所知，他们已经不能被分
割成更小的部分了。夸克极容易和其他粒子结合，因此它们在自然界中从来未被单
独观察到过，而是经常发现它们与其他的夸克相结合形成质子和中子（每个质子由
三个夸克组成），而这些质子和中子又进一步与轻子（比如电子）结合而形成整个
原子。例如，氢原子就是由一个围绕单个质子旋转的电子构成的。原子呢，它们又
转而和其他的原子结合起来形成分子，比如水分子就是这样。随着温度的上升，分
子又从如冰一样的固体状态，变成如水一样的液态，再变成如蒸汽一样的气态。

　　这些都是我们所了解的、可以预见的科学所告诉我们的，但是当温度和密度比
地球上的要大数十亿倍的时候，组成原子的基本部分彼此可能会完全地被强硬拆开
，从而形成由夸克和将夸克结合在一起的能量组成的等离子体。物理学家们正试图
在长岛的一台粒子对撞机上创造出这种夸克--胶子式的物质状态来。而在物理学家
们远远无法创造出来的更高的温度和压力之下，这种等离子体可能会转变成为一种
新的物质或者能量形式。这种物质状态的转变还可能会揭示出自然界新的力的存在
。

　　这些新的力将会加入到我们已知的一种调节夸克行为的力的行列中去。所谓的
强力是将这些粒子结合在一起的主要媒介。而第二种被称为弱力的原子力，则可以
将一种类型的夸克转变成另一种（夸克有着六种不同的"味道"一一上、下、迷人、
奇异、顶上和底部）。

　　最后一种原子力，也就是电磁力，它可以将诸如质子和电子这样的带电粒子结
合在一起。正如其名字所暗示的那样，强力是三种力之中最强有力的，它比电磁力
要强劲100倍以上，而比弱力更是要强劲10000倍以上。粒子物理学家们怀疑，这三
种力有可能是单一的能量场的三种不同的表现形式，这与电力和磁力分别代表一个
电磁场的不同方面非常相似。实际上，物理学家们已经揭示出了电磁力和弱力之间
潜在的统一性。

　　有些统一场理论认为，在宇宙大爆炸刚刚发生后的超热的原始宇宙之中，强力
、弱力、电磁力和其他力只是一种力，其后随着宇宙的扩张和冷却它们逐渐分化。
在新生的宇宙中可能会出现各种力的统一，正是这种可能性的存在，使粒子物理学
家对天文学如此感兴趣，也使天文学家们转而向粒子物理学来试图寻找这些力在宇
宙的诞生中可能扮演了什么样角色的答案。力的统一如果要发生，必须有一种超高
质量的被称为线规玻色子的粒子存在。


　　如果它们存在的话，它们会让夸克转变成其它粒子，并引起位于每个原子中心
的质子发生衰变。如果物理学家们能够证明粒子可以衰变，就足以说明有新的力存
在。 

　　谜团八　质子是不稳定的吗


　　假如你担心组成你身体的质子会解体，将你变成一堆基本粒子和游离能量的话
，这不免多虑了。各种观察核试验都表明，质子必须至少在十亿万亿万亿年内保持
稳定。尽管如此，许多科学家们仍然相信，如果三种原子力真的是一个单一的统一
场的不同表现形式的话，那么我们上面提到过的具有炼金术般魔力的超质量玻色子
将会不时地从夸克中产生出来，造成夸克以及由夸克组成的质子发生退化。

　　乍一看，你会觉得这些物理学家们的脑子一定是出了什么问题，因为身体小小
的夸克怎么可能产生出种量超过它们本身10，000，000，000，000，000倍的庞大
的玻色子呢？你这样想也很难怪。但是有这样一条海森堡不确定法则，它认为你永
远无法同时知道一个粒子的动量和位置，而该法则正好间接地允许这样一个听起来
荒谬绝伦的推断的存在。因此，一个庞大的玻色子从组成质子的小小夸克中闪现出
来，存在非常短的一段时间，从而造成质子的退变并非没有可能。

　　谜团九　引力是什么


　　接下来就要说到万有引力的问题了，这种存在于小个的粒子之间的不成对力，
同时也是将它们聚拢在一起的能量。当爱因斯坦将牛顿的理论加以改进之后，他将
引力的概念予以延伸，考虑的对象也扩展到了极其巨大的引力场和以接近光速的速
度运动的物体。这些延伸所引出的就是著名的相对论和时间--空间的概念。但是，
爱因斯坦的理论并没有关注到量子力学这片极其微小物体的领地，因为万有引力在
极小的规模上是可以忽略的，而不同于将原子聚拢在一起离散的小块能量的是，离
散的小块引力在试验中从未被观察到。

　　尽管如此，自然界中仍然存在着一些极端的条件，能够让引力和微小的物质发
生亲密的关系。例如，在黑洞的心脏附近，大量的物质都被挤压到量子空间之内，
在极小的距离上，引力变得非常强大。同样的情况，在宇宙大爆炸前后密集的原始
宇宙中也必定会出现的。

　　物理学家斯蒂芬·霍金发现了黑洞的一个特别问题，我们需要将量子力学和万
有引力结合在一起，然后才能够就任何东西得到一个统一理论。霍金认为，任何东
西，即便是光也无法从黑洞中逃出的断言严格来讲并不正确，黑洞周边的确在辐射
出微弱的热能。根据他的理论，这种能量是黑洞附近的真空的粒子一反粒子配对实
体化时所产生的。在粒子和反粒子这对冤家再度重新结合并互相毁灭之前，距离黑
洞较近的粒子就被吸入了黑洞，而距离稍远的那个则以热量形式逃逸出来。这种热
量的释放与先前被吸入黑洞的物质和能量状态没有任何明显的联系，这就违背了一
条量子理论的定律，该定律规定，任何事件都必须能够追溯到先前的事件。要解释
这个问题的话，就需要新的理论了。


　　谜团十　还有没有另外一度呢
在对引力真正性质的探索中，人们终究要思考这个问题：在我们能够轻易观察到的
四度空间之上还会不会有其它一度呢？


　　为了做出解答，我们首先要知道，自然界究竟是不是实际上患了精神分裂症：
我们是不是应当接受这样的理论，那就是有两种作用于不同范畴的力--作用于大的
范畴，如星系之上的万有引力，以及作用于微小原子世界的其它三种力呢？统一场
论的支持者们说，这是一派胡言--必然有某种方式能够让三种原子范畴的力和万有
引力联系起来。或许是这样，但是联系起来谈何容易。


　　首先，万有引力是不成对的。爱因斯坦的广义相对论认为，万有引力与其说是
力，还不如说是空间和时间的一种内在特性。依此道理，地球围绕着太阳旋转，并
非是由于万有引力的吸引作用，而是因为它陷入了一个由太阳引起的时间--一空间
的漩涡里，从而象一个大碗中快速旋转的一粒石子般在这个漩涡力旋转起来。其次
，就我们所能探测到的引力而言，它是一种持续的现象，而自然界的其它各种力则
是以分立的小片形式出现的。


　　所有这些都将我们引向了线理论者们和他们对引力的解释，那里面就提出了其
他的度的概念。具有独创性的线理论宇宙模型在一个复杂的十一度世界中将万有引
力与其它三种力组合在一起。 

　　在这个世界--也就是我们的世界中--这些度中的七个都在小到我们无法注意到
的区域内自我包裹着。让你的思考方式绕过这些额外的度的一种方式，就是在头脑
中想象出一个蜘蛛网中的一根蛛丝的形状。对裸眼来说，这根细丝看上去像是一度
的，但是在影像被高度放大时，就不难分辨出它是一个宽度、长度和深度都非常可
观的物体。线理论者们认为，我们之所以看不到额外的度，是因为我们缺乏足够强
有力的工具去分辨它们。

　　谜团十一　宇宙是如何开始的


　　如果自然界的四种力真的是一股单一的力，并且在低于数百万度的温度之下呈
现不同的状态的话，那么在宇宙大爆炸时期的难以想象的火热和密集的宇宙之中，
必然会存在过一块地方，在这里万有引力、强力、粒子和反粒子之间的区别变得毫
无意义。爱因斯坦的关于物质和时间--空间的理论由于依存于我们较为熟悉的基准
之上，还无法解释是什么东西使得火热的极微小的原始宇宙膨胀到如今我们所看到
的样子的。我们甚至还不知道宇宙是否充满了物质。

　　根据现行的物理概念，早期宇宙中的呢能量应当混合生成了相等数量的物质和
反物质，它们随后本来应该彼此毁灭的，但是某种神秘而非常有用的机理让天平向
物质一方倾斜，从而留下了足够的物质而形成了布满恒星的星系。


　　幸运的是，原始的宇宙给我们留下了几条线索。其一就是宇宙微波背景辐射，
它是大爆炸的余烬。几十年来，每当天文学家们观察宇宙的边缘时，他们所测量到
的这种微弱的辐射的强弱都是相同的，于是天文学家们相信，这种一致性意味着宇
宙大爆炸以空间一时间的扩张开始，而其展开的速度比光速还快。 

　　但是，更近期的仔细观测则表明，宇宙背景辐射并不是完全均匀的。在受到五
规律的扰动时，一小块空间与另外一小块空间的辐射还有着极细微的差别。会不会
是早期宇宙中密度上随机的量子波动留下了这个印记呢？非常有可能。做出这个回
答的，是芝加哥大学天体物理学学部的主席、同时也是提出这是一个基本问题的委
员会的主席麦克尔·特纳做出的。特纳和其他许多的宇宙学家如今都确信，宇宙的
团块--也就是其中点缀着星系和银河星团的广大的空旷区域--或许就是原始的、亚
原子大小的宇宙的量子波动经过极大的放大后的样子。 

　　正是这种无限大和无限小相结合，让量子物理学家和天文学家闲谈时走到一起，
在不久的将来他们也必定对以上的十一个谜题做出解答。 
 

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