物理学最前沿八大难题 当今科学研究中三个突出的基本问题是:宇宙构成、物质结构及生命的本质和维 持,所对应的现代新技术革命的八大学科分别是:能源、信息、材料、微光、微 电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学 科中占有首要的地位。 我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。 难题一:什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实, 普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有 第三种成分,它不是物质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据,来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为,所有 物质都会改变它周围时空的形状。因此,宇宙的总体形状由其中的总质量和能量 决定。 最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示,宇宙有着最为简单的形状—— 是扁平的。 这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和 普通物质的可能来源加起来之后发现,宇宙的质量密度仍少了 2/3 之多! 难题二:什么是暗物质 我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的 4%,远远少于宇宙的总物质的含量。这 得到了各种测算方法的证实,并且也证实宇宙的大部分是不可见的。 最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子: neutralino 和axions (轴子) , 但这仅是物理学的理论推测,并未探测到,据说是没有较为有效的测量方法。又 这三种粒子都不带电,因此无法吸收或反射光,但其性质稳定,所以能从创世大 爆炸后的最初阶段幸存下来。 如果找到它们的话,很可能让我们真正的认识宇宙 的各种情况。 难题三:中微子有质量 不久前,物理学家还认为中微子没有质量,但最近的进展表明,这些粒子可能也 有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据,找出 4 种自然力量中的 3 种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加,因为大爆炸 留下了大量的中微子,最新实验还证明它具有超过光速的性质。 难题四:从铁到铀的重元素如何形成 暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。 较重的元素后来形成于星体内部,核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比 如说,四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况,它提 供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。 当核聚变产生比铁重的元素时,就需要大量的中子。因此,天文学家认为,较重 的原子形成于超新星爆炸过程中,有大量现成的中子,尽管其成因还不很清楚。 另外,最近一些科学家已确定,至少一些最重的元素;如金、铅等,是形成于更 强的爆炸中。还有一点需要确定,即当两颗中子星相撞还会塌陷成为黑洞。 难题五:超高能粒子从哪里来 太空中能量最大的粒子,其中包括中微子、Y 射线光子和其他各种形式的亚原子 榴征弹都称作字宙射线。它们无时无刻不在射向地球;当你读这篇文章的时候, 可能就有几个在穿过你的身体。 宇宙射线的能量如此之大,以至于它们必须是在 大灾变造成的宇宙加速活动中才能产生。 科学家估计的来源是: 创世大爆炸本身、 超新星撞成黑洞产生的冲击波, 以及被吸人星系中央巨大黑洞时的加速物质等等。 了解了这些粒子的来源以及它们如何得到如此巨大的能量, 将有助于研究这些物 体的具体的活动情况。 难题六:超高温度和密度之下是否有新的物质形态 在能量极大的情况下,物质经历一系列的变化,原子分裂成其最小的组成部分。 这些部分就是基本的粒子, 即夸克和轻子,据目前所知它们不能再分成更小的部 分。夸克的性质是极其活跃,在自然状态下是无法单独存在。它们会与其他夸克 组成光子和中子,两者再与轻子结合就形成了整个原子。 这都是现有科学可以推测的, 但当温度和密度上升到地球上的几十亿倍时,原子 的基本成分很可能会完全分离开来。 形成夸克等离子体和将夸克聚合在一起的能 量。 物理学家正尝试在长岛的一台粒子对撞机中创造物质的这种形态,即一种夸 克一胶子等离子体。 在远远超过这些科学家在实验室中所能创造出的更高温度和 压力之下, 等离子体可能变成一种新的物质或能量形式。这种阶段性变化可能揭 示自然界的新力量。 要使这些力量结合起来, 就必须要有一种新的超大粒子——规范玻色子,如果它 存在的话,就可以使夸克转变为其他粒子,从而使每个原子中心的光子衰变。假 如物理学家证明光子能够衰变,那么这一发现就会证明有新力量的存在。 难题七:光子是不稳定的吗? 如果你担心组成你的光子会分解蜕变,将你变成一堆基本粒子和自由能量,那大 可不必为此着急。 各种观察和试验表明, 光子的稳定时间至少在 10 的33 次方年。 然而, 许多物理学家认为, 如果这三种原子力确实是单个统一场的不同表现形式, 前文所说的神秘变化的超大玻色子就会不时从夸克中演化出来, 使夸克及其组成 的光子衰退。 如果一开始你认为这些物理学家脑子出了毛病,那也是情有可原的,因为按理说 微小的夸克不可能生成比它重这么巨大倍数的玻色子。 但根据海森伯的测不准原 理, 我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置,这就间接使这样一个大胆命题 可以成立。因此,一个巨大的玻色子在一个夸克中生成,在很短时间内形成一个 光子并使光子衰变是可能的。 难题八:有几维空间 对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问: 空间是否仅仅限于我们能轻易观察 到的四维呢? 这就将我们引向了一些线性理论学家对重力的解释,其中就包括其他维的空间。 开始的宇宙线性理论模型将重力和其他三种力在复杂的 11 维宇宙中结合起来。 在那个字宙——也就是我们宇宙中——其中的 7 维隐藏在超乎想像的微小空间 中,以至于我们无法觉察到。弄懂这些多维空间的一个办法是,想像一个蛛网的 一根丝。用肉眼来看,这根细丝只是一维的,但在高倍放大镜下,它就分解成了 一个有相当宽度、广度和深度的物体。线性理论学家说,我们之所以看不见其他 维的空间,只是因为缺少能将它们分解的精密仪器。