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面对这六个问题,物理学家寝食难安

2017-03-13  王老轨的...

昨天我们介绍了物理学的六个原理,基于这几个原理,物理学家发展了标准宇宙学模型粒子物理学的标准模型。用一张图概括如下:



这两个理论都出色的扮演着自己的角色,精确地描述着这个宇宙的运作方式。这是许多人奉献出了自己一身的时间在研究着当时看起来对实际生活毫无作用的基本问题的智慧结晶。但是,自然远远比我们聪明,每当我们自以为解开了谜题的时候,往往是打开了一个通往更深层次的问题的大门。幸运的是,我们这一代人更加的谦逊,没有人会公开发言说:“现在的物理学中已不会再有什么新发现,所剩之事只是测量精度的不断提高而已。”



- 问题 1 -

  暗物质  


地球绕着太阳旋转,它的速度取决于距离、太阳的质量和引力强度(自然界中的普适常数)。这里并不需要用到复杂的广义相对论,只要用牛顿引力就可以计算出。以太阳系为例,离太阳越远,行星的运动速度越慢:


△ 随着距离的增加, 行星的运动速度会越来越慢。(图片来源:James Schombert)


同样的定律也可以被应用在遥远的星系团中。在星系团中的单独星系会绕着共同的质心运动。在1930年代,天文学家Fritz Zwicky发现在后发星系团中,外层的星系运动速度远远超过了星系团质量所允许的。到了1970年代,Vera Rubin在类似银河系的螺旋星系中发现了同样的现象,并推断在星系中应该存在着大量看不见的物质。


△ 理论预测星系的旋转速度会随着距离递减(红色曲线),但实际观测到则完全出乎意料(白色曲线)。如果没有额外的质量提供引力,那么星系早已分崩离析。


虽然我们看不见这些“暗物质”,但是我们可以观测和测量它的引力效应。它占据了宇宙总质量和能量的26.8%。显然,粒子物理学的标准模型中的基本粒子无法为此买单。但是,目前所有尝试探测超越标准模型的暗物质粒子,或者试图利用高能粒子对撞中产生暗物质粒子,都毫无收获。暗物质模型正面临着最严峻的考验。



扩展阅读:《探索宇宙的黑暗面》



- 问题 2 -

  暗能量  


△ 被拉伸的光线。( E.Siegle)


在1998年,有两个科研小组通过对遥远的超新星爆发的测量得出了一个结论:虽然预计这些超新星发出的光在到达地球的时候被拉伸,但意想不到的是,拉伸的程度比先前预测的要多。换句话说,宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀!科学家把造成加速膨胀的幕后黑手称为“暗能量”。暗能量支配着宇宙的命运,占据了宇宙总质量和能量的68.3%。


△ 真空涨落。 Derek Leinweber)


但暗能量究竟是什么?一个最简单的答案是真空能量,这其实是对爱因斯坦一个旧思想的复苏。为了使宇宙看起来是静态的,爱因斯坦在方程中加入了一个宇宙学常数。根据量子力学,真空本身会有微小的涨落。在广义相对论中,这些微小的量子涨落会产生能量,可以充当宇宙学常数的角色。但是,基于量子力学计算的真空涨落的值要比实际观测的能量密度高出120个数量级,这个结果被惊叹为“物理史上最糟糕的理论预言”。这便是宇宙学常数问题。但宇宙学常数并不是唯一的选择,也有可能暗能量其实是一种“精质”(quintessence),这是一种自然界中未被发现的第五种力。这两个解决方案都遇到了各自的问题,因此物理学家提出了其它的可能性。


扩展阅读:《神秘的暗能量只是一个美丽的误会?》《新数据再次引发争论:宇宙的膨胀速度究竟有多快?》《这只变色龙支配了宇宙的命运》



- 问题 3 -

  宇宙暴胀  


当你放眼整个宇宙的时候,有几个特征曾经困扰了物理学家无数个夜晚。例如,为何宇宙在几何上是“平直”的?以及为何宇宙各处都拥有几乎相同的温度?宇宙暴胀理论的提出一下子把这些问题都解决了。在宇宙诞生之初,空间在极短的时间内经历一场比光速还快的膨胀。暴胀的其中一个重要预言就是原初引力波,它会在宇宙微波背景辐射留下印记。2014年,科学家宣称自己探测到了原初引力波,很可惜后来被证明是错误的。


△ 宇宙经历了一次指数式的暴胀(Inflation)。(图片来源:http://daisy.astro.umass.edu/~myun/teaching/a100_old/longlecture25.html)


事实上,我们并不知道是什么导致了宇宙发生了暴胀,而且,暴胀一旦开始就不会完全停止,其结果就是多重宇宙的诞生。走出这个困境的一个方法是弱化光速。如果在宇宙早期光速要比现在的快,就可以解释温度一致的问题。或许光速现在依然在减慢,只是这个变化微弱到即使世界上最灵敏的探测器也无法探测到。


扩展阅读:《一场光和引力之间的追逐战》《宇宙暴胀和暗能量之间有联系吗?》



- 问题 4 -

  力的统一  


△ 电弱力和强核力能够被统一吗?这样的一个理论被称为大统一理论(GUT)。(图片来源:Sandbox Studio)


标准模型只解释了自然界中的三种基本力,并没有完美地统一电弱力和强核力。同时,引力也是唯一一个无法用量子理论来解释的基本力。为了从量子理论的角度去解释引力的传递,科学家提出一种传递引力的粒子,称为引力子,但至今没有被找到。


△ 自然界的四种基本力能否在普朗克尺度下统一起来?(图片来源:Fermilab)

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