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今年10月8日，2013年諾貝爾獎物理學(xué)獎揭曉，瑞典皇家科學(xué)院宣布，比利時(shí)理論物理學(xué)者弗朗索瓦·恩格勒和英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯因預測希格斯玻色子的存在而獲得2013年諾貝爾物理學(xué)獎。 長(cháng)期以來(lái)，希格斯玻色子的蹤跡占據著(zhù)整個(gè)粒子物理學(xué)界的研究中心，也成為困擾物理學(xué)界的重大謎團。物理學(xué)標準模型預言了62種基本粒子的存在，其他粒子都已被實(shí)驗所證實(shí)，只有希格斯玻色子未得到確認。由于它極其重要又難以找到，故被稱(chēng)為“上帝粒子”。作為最后一種未被發(fā)現的亞原子粒子，希格斯玻色子是解釋物質(zhì)質(zhì)量之謎的最重要粒子。2012年7月4日科學(xué)家宣布發(fā)現了一個(gè)新粒子，與希格斯玻色子特征有高度吻合之處，這一發(fā)現不僅為上述兩位科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎奠定了基礎，也成為探索“上帝粒子”漫長(cháng)征程的里程碑。 盡管對于“上帝粒子”的研究已經(jīng)曙光初現，但物理學(xué)家們并不能放松研究的腳步。美國趣味科學(xué)網(wǎng)站稱(chēng)，物理學(xué)領(lǐng)域還存在9大謎團讓物理學(xué)家們輾轉反側、夜不能寐。其中的一些謎團可能在10年內揭開(kāi)其神秘的“面紗”，如果是這樣的話(huà)，科學(xué)將發(fā)生歷史上最偉大的一次飛躍。 科學(xué)界流傳著(zhù)一個(gè)段子：1900年，英國物理學(xué)家、絕對溫標的制定者開(kāi)爾文男爵斷然宣稱(chēng)：“物理學(xué)已經(jīng)走到窮途末路，再也不會(huì )有任何新發(fā)現，我們能做的只是進(jìn)行一些越來(lái)越精確的測量�！� 然而，令開(kāi)爾文男爵絕對想象不到的是，現實(shí)無(wú)情地抽了這個(gè)預言一記耳光。他說(shuō)這句話(huà)不到30年，言猶在耳，量子力學(xué)和愛(ài)因斯坦的相對論就徹底顛覆了物理學(xué)領(lǐng)域。今天，沒(méi)有物理學(xué)家膽敢宣稱(chēng)我們對于宇宙學(xué)的知識已經(jīng)接近飽和。相反，每個(gè)新發(fā)現似乎都打開(kāi)了一個(gè)更大的“潘多拉的魔盒”，向人類(lèi)提出更深層次的物理問(wèn)題。 什么是暗能量？ 科學(xué)家們對遙遠的超新星進(jìn)行的觀(guān)察表明，宇宙膨脹的速度并不像他們原先所假定的那樣在放慢；事實(shí)上這種碰撞的速度在不斷增加。鑒于引力是吸引力，會(huì )將空間和時(shí)間的結構朝內拉，所以宇宙中必然存在著(zhù)一種遍布宇宙的、不斷將時(shí)間和空間的結構向外推出的排斥力，科學(xué)家們將這種看不見(jiàn)的力稱(chēng)為“暗能量”。 目前，最為人所接受的暗能量模型中，暗能量是一個(gè)“宇宙常數”，是宇宙空間本身固有的屬性，其會(huì )對空間施加“負壓力”，將空間撕開(kāi)。不斷膨脹的宇宙會(huì )制造出更多空間，這些空間也會(huì )擁有更多的暗能量�；谀壳氨挥^(guān)測到的宇宙膨脹率，科學(xué)家們推斷，所有的暗能量占據了宇宙70%的空間，但沒(méi)有人知道如何尋找暗能量。 什么是暗物質(zhì)？ 顯而易見(jiàn)，宇宙中大約84%的物質(zhì)既不吸收光也不釋放光�！叭巳缙涿�，這種“暗物質(zhì)”無(wú)法被直接觀(guān)察到，迄今為止科學(xué)家們也沒(méi)有通過(guò)間接的手段探測到其“蹤跡”�？茖W(xué)家們通過(guò)其對可見(jiàn)物質(zhì)的引力效應、輻射和宇宙結構來(lái)推測暗物質(zhì)的存在和屬性。 科學(xué)家們認為，這種像影子一樣隱藏的物質(zhì)彌漫在星系周?chē)�，而且可能由“大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMP)”組成，但到現在也還沒(méi)有人發(fā)現其蹤跡。 為什么存在時(shí)間之箭？ 時(shí)間總是單一向前移動(dòng)，比如雞蛋打破就無(wú)法回復到為打破之前的狀態(tài)，這是因為宇宙存在一種名為“熵”的屬性。熵指的是體系的混亂程度，而且熵只能增加。熵的增加也有其邏輯性：粒子混亂的排列比有序的排列多，而且隨著(zhù)事情發(fā)生變化，粒子更容易陷入混亂中。 但最根本的問(wèn)題是，為什么過(guò)去的熵如此低呢？換句話(huà)來(lái)說(shuō)，為什么宇宙開(kāi)始如此有序，那時(shí)大量能量簇擁在一個(gè)非常小的空間內？ 是否存在平行宇宙？ 天體物理學(xué)的數據表明，宇宙時(shí)空可能是“平直”的，而非彎曲的，因此，它會(huì )永遠繼續下去。如果真是那樣的話(huà)，那么我們能夠看到的區域(我們將其稱(chēng)為“宇宙”)僅僅是一個(gè)無(wú)限大的“絎縫狀多重宇宙”中的一小塊嗎？ 同時(shí)量子力學(xué)法則也指出，每個(gè)宇宙片內，粒子可能的組合的數量是有限的(共有10的10次方的122次方)。因此如果存在著(zhù)無(wú)限多的宇宙片，那么其間必然會(huì )重復出現相同的粒子組合——不斷重復無(wú)數次。這就意味著(zhù)，存在著(zhù)無(wú)限多的平行宇宙：也就是說(shuō)，與我們的宇宙一模一樣的宇宙片；那也意味著(zhù)，或許還有另外一個(gè)“你”以及一些僅僅一個(gè)粒子的位置與我們的宇宙不同的宇宙片、僅僅兩個(gè)粒子的位置不同的宇宙片等等，直至與我們的宇宙完全不同的宇宙片，在廣袤無(wú)垠的空間飄蕩。 這個(gè)邏輯有錯誤嗎？這種匪夷所思的結果是真的嗎？如果它是真的，我們如何才能探測到平行宇宙的存在呢？ 為什么物質(zhì)比反物質(zhì)多？ 為什么宇宙中物質(zhì)的數量比與其電荷相反、自旋方向相反的“雙胞胎”——暗物質(zhì)的數量多？這一問(wèn)題也可以理解成，為什么萬(wàn)事萬(wàn)物會(huì )存在？一種假定認為，早期宇宙中的能量應當混合生成了數量相等的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們隨后本來(lái)應該彼此湮滅的：質(zhì)子會(huì )同反質(zhì)子相互抵消；電子和反電子(正電子)、中子和反中子相互抵消等等，結果就是，在一個(gè)無(wú)質(zhì)量的“蒼天”里，只留下一片光子的海洋。 但事實(shí)卻是，某種神秘而非常有用的機理讓天平向物質(zhì)一方傾斜，留下了足夠的物質(zhì)，從而形成了我們現在看到的布滿(mǎn)恒星的星系、宇宙以及我和你。除此之外沒(méi)有其他可以接受的解釋。 宇宙的終極命運如何？ 宇宙的終極命運主要仰賴(lài)一個(gè)未知的因子： Ω，這是用于測量整個(gè)宇宙中的物質(zhì)和能量的密度的值。 如果Ω大于1，那么宇宙中的時(shí)空就會(huì )像一個(gè)巨大球體的表面一樣“關(guān)閉”。如果沒(méi)有暗能量“作祟”，這樣的宇宙最終會(huì )停止膨脹，并朝相反的方向運動(dòng)，那就是開(kāi)始萎縮，最終在一個(gè)名為“大坍塌”的事件中灰飛煙滅。如果宇宙是“關(guān)閉”的，而且也存在暗能量，那么球星宇宙將永遠膨脹下去。 相反，如果Ω小于1，那么宇宙時(shí)空將像馬鞍形那樣“敞開(kāi)”。在這種情況下，其最終命運將是“大凝固”(Big Freeze)之后的“大解體”：首先宇宙不斷向外膨脹，星系和恒星將被撕裂，所有物質(zhì)成為極寒冷的孤零零的碎片。接下來(lái)這種加速會(huì )變得非常強烈，足以讓將原子緊緊結合在一起的作用力潰不成軍，萬(wàn)事萬(wàn)物最終都將被掰開(kāi)。 如果Ω等于1，宇宙是平的，那么它會(huì )像個(gè)無(wú)限的水平面一樣朝各個(gè)方向延伸。如果沒(méi)有暗能量，這樣的一個(gè)平面宇宙將永遠延伸下去，但延伸的速度會(huì )不斷降低，最終接近靜止狀態(tài)。如果存在暗能量，那么這個(gè)平面宇宙最終將經(jīng)歷像脫韁的野馬一樣的膨脹，最終導致“大解體”(Big Rip)。 測量如何讓量子波函數塌縮？ 在電子、光子和其他基本粒子組成的奇妙國度里，量子力學(xué)就是統轄一切的“國王”。粒子的行為不同于小球，而是像波一樣在很大的范圍內傳播�？茖W(xué)家們用一個(gè)“波函數”或者概率分布來(lái)描述一個(gè)粒子。這一函數主要描述的是粒子的位置、速度以及有些屬性更有可能是什么，而非這些屬性就是什么。 在通過(guò)實(shí)驗對粒子的屬性進(jìn)行測量之前，粒子所有的屬性(比如粒子的位置)實(shí)際上都有一個(gè)范圍值，但是在測量之后，粒子的波函數就“塌縮”了，僅僅采用一個(gè)位置。 那對一個(gè)粒子進(jìn)行測量如何以及為什么會(huì )使其波函數塌縮，從而產(chǎn)生一個(gè)我們覺(jué)察到其存在的具體現實(shí)呢？這個(gè)測量問(wèn)題似乎是個(gè)難解之謎。但這個(gè)謎題的答案是我們理解什么是現實(shí)，或者是否真的存在現實(shí)這些問(wèn)題的“鑰匙”。 弦理論是否正確？ 弦理論的創(chuàng )建者為美國著(zhù)名物理學(xué)家邁克爾·格林，目前他接替英國著(zhù)名科學(xué)家史蒂芬·威廉·霍金的位置，接任了世上最為馳名的學(xué)術(shù)職位——“盧卡斯數學(xué)講席教授”。 弦理論告訴我們，宇宙由弦組成。弦理論的基礎很簡(jiǎn)單，但卻能得出令人難以置信的結論。格林認為：“宇宙中最基本的粒子，不是點(diǎn)狀的物體，而是像弦一樣的物體�！迸c包含7種基本粒子的標準模型不同，弦理論認為，宇宙間的萬(wàn)事萬(wàn)物都由一條極小的環(huán)形弦構成。格林解釋道：“弦與點(diǎn)最大的區別，就是它能夠振動(dòng)。不同模式的振動(dòng)，可以看成不同的音符，也可以看成是不同類(lèi)型的基本粒子。這是一個(gè)非常有趣且充滿(mǎn)詩(shī)意的解釋�！� 這是一個(gè)精妙絕倫的想法，每撥一次弦都會(huì )奏出一顆不同的粒子。弦理論使物理學(xué)家們能讓統轄粒子運動(dòng)規律的量子力學(xué)和統轄空間—時(shí)間規律的廣義相對論“和平共處”，而且能將自然界中四個(gè)基本的作用力統一成一個(gè)架構。 但是仍有一兩個(gè)問(wèn)題。首先這些弦太小了，從未有人看到過(guò)什么物質(zhì)有一點(diǎn)點(diǎn)像弦。另外，弦理論僅僅在擁有10維或11維的宇宙中才起作用，這樣的宇宙包含有三個(gè)大的空間維度、6個(gè)或者7個(gè)緊湊的空間維度以及一個(gè)時(shí)間維度。然而，這種緊湊的空間維度以及不斷波動(dòng)的弦本身的大小僅為一個(gè)原子核大小的1021分之一。目前，沒(méi)有辦法來(lái)探測這么微小的事物，所以，也沒(méi)有可知的方式來(lái)通過(guò)實(shí)驗證實(shí)或者證偽弦理論。 如果弦理論是正確的，那么弦將成為宇宙中最小的物體。問(wèn)題是一旦我們能夠探索到這么小的尺度，那我們固有的關(guān)于小和大的概念，也許會(huì )完全顛倒過(guò)來(lái)。格林說(shuō)：“當你探測到弦這么小的尺度，整個(gè)宇宙就盡在你的掌控之中，因為宇宙也是從這樣的大小開(kāi)始，演化成我們今天所看到的樣子。所以這個(gè)你認為是最小的部分，可能實(shí)際上包含了萬(wàn)事萬(wàn)物。你可以說(shuō)它是宇宙中最小的物質(zhì)，也可以放心大膽地說(shuō)，它就是整個(gè)宇宙�！� 混亂中是否存在有序？ 納維—斯托克斯方程(Navier-Stoke equation)是一組描述像液體和空氣這樣的流體物質(zhì)的方程，它們是一組非常有用的方程，因為它們描述了大量對學(xué)術(shù)和經(jīng)濟有用的現象的物理過(guò)程，可以用于模擬天氣、洋流、管道中的水流、星系中恒星的運動(dòng)、翼型周?chē)臍饬�；也可以用于飛行器和車(chē)輛的設計、血液循環(huán)的研究、電站的設計、污染效應的分析等等。 但現在物理學(xué)家們仍然無(wú)法正確地理解這套方程式。實(shí)際上，我們現在仍然不知道，納維—斯托克斯方程是否真的存在一套通用解。如果存在一個(gè)解，其是描述了任何流體的屬性還是包含一些我們仍不了解的名為“奇點(diǎn)”的點(diǎn)。如此看來(lái)，混亂的“性格”并不那么容易捉摸。 物理學(xué)家們和數學(xué)家們都想知道，天氣是僅僅難以預測還是根本就不可能預測？另外，雖然湍流是日常經(jīng)驗中就可以遇到的，但這類(lèi)問(wèn)題極難求解，有鑒于此，2000年5月，美國克雷數學(xué)研究所設立了一個(gè)100萬(wàn)美元的大獎，獎給對理解這一現象的數學(xué)理論做出實(shí)質(zhì)性貢獻的人。(記者劉霞) |
