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探秘物理学六大“僵尸“<br>《自然》盘点既不能证实也无法搁置的六项研究

转载 2015-11-10 09:39:16

    《自然》杂志梳理了物理学、天文学和宇宙学中的一些发现——研究人员屡次任其自生自灭,却发现它们总是“阴魂不散”。

    当一项科学成果看上去展示出一些真正新颖的东西时,随后的实验应该或者证实它——使教科书重写,或者证明它是测量异常或试验错误。不过,一些发现似乎永远夹在两者中间。即便是努力重现这些成果,也几乎没有成效。欢迎来到“僵尸”物理学的世界。

在刚刚过去的万圣节,《自然》杂志

    梳理了物理学、天文学和宇宙学中的一些发现——研究人员屡次任其自生自灭,却发现它们总是“阴魂不散”。

“邪恶轴心”

    被称为宇宙微波背景辐射(CMB)的宇宙大爆炸暗淡余辉,在所有方向几乎是一致的。从一点到另一点,它的温度变化小于十万分之一。宇宙学家预测这些微小的温度差异是随机分布的,但2003年,当美国宇航局(NASA)威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星测量CMB并在不同尺度上描绘出这些波动时,一些意想不到的模式出现了。一种神秘的冷斑隐藏在南半球天空;天空中大多数区域之间的波动比预想的小很多;而一些尺度上的波动看上去会沿着一个特定的方向排列,形成所谓的“邪恶轴心”。

    一些科学家曾提出,这些特征可能是WMAP测量的“伪影”。然而,在WMAP以及随后由欧洲空间局普朗克任务开展的进一步观测中,这些异常现象一直拒绝离开。“我猜它们处于僵尸状态已有10年的时间。”普朗克科学团队成员、加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所宇宙学家Kendrick Smith表示。

    在包括Smith在内的一些人看来,这些特征随机发生的几率或许比直觉认为的高,因为已被观测到的那些仅代表了所有可能奇异现象的一部分。其他人则在寻找能解释这些非期望模式的现象:尤其是冷斑同一个巨大的宇宙空洞有关。Smith介绍说,测量CMB极化的进一步试验将拥有更高的精度,并且揭示谁是正确的。

季节性“幽灵”暗物质

    就像一阵能穿透墙壁的妖风,银河系中的暗物质能持续地从所有方向穿透地球,甚至是人体。这种物质被认为占据了约85%的宇宙物质,但从未被明确地探测到。不过,自上世纪90年代末,DAMA(位于意大利萨索山山下的洞穴地下实验室)试验的物理学家探测到拥有碘化钠晶体的暗物质可能在发生相互作用。这些信号的强度依据季节模式发生变化,而这是可以预期的,因为地球围绕太阳旋转时,其速度相对于周围的暗物质应当会发生变化。

    不过,还有其他现象随着季节而改变,并且可能产生虚假的结果。后续试验几乎全部毁灭了DAMA的探测——研究人员并未发现暗物质信号,或者发现的微弱迹象在很多人看来是没有说服力的。然而,DAMA项目继续积累证据,使认为暗物质已被探测到的观点保持着活力。

    没有人对此项试验正在探测到一种季节性起伏存有争议。不过,这些变动是由暗物质还是其他东西导致的仍不清楚。在季节相反的南半球,两项规划好的试验或许会带来答案:一项名为DM-Ice的试验将在南极冰层中展开,另一项则将在澳大利亚斯塔威地下物理实验室进行。

发光的银河传奇

    更多的暗物质在太空中显露。2009年,两位物理学家在来自NASA费米伽马射线空间望远镜的数据中发现了一种神秘的光。他们认为,这种电磁辐射可能是暗物质粒子在银河系中心附近聚集然后相互碰撞摧毁的结果。它以γ射线形式存在,并且看上去超越了已知来源应当产生的物质范畴。

   自此以后,一些团队提出了针对γ射线的其他非暗物质解释,最新的观点是它来自死亡恒星的残留物——脉冲星。然而,研究人员发现,暗物质解释总是很快又“爬了回来”。过去几个月里,荷兰阿姆斯特丹大学理论天体物理学家Christoph Weniger在与别人共同撰写的论文中展示了支持和反对暗物质来源的证据。“我只是想厘清正在发生的事情。”Weniger介绍说,目前他稍微倾向于脉冲星解释。

    加州大学尔湾分校物理学家Simona Murgia介绍说,费米团队开展的一项期待已久的正式分析让这种物质的来源再次悬而未决。“最终,我们也观测到大量神秘的光。”Murgia说,“尽管我们无法确定它是否为暗物质。”

恶魔般的质子差异

    考虑到质子是宇宙中最常见且被充分研究过的粒子之一,人们都期待物理学家能彻底了解它的大小。不过,2010年,来自德国马普量子光学研究所的Randolf Pohl及其团队测量了质子的半径,发现其比此前预测的小4%。该团队利用了一种新技术,即用被称为μ介子的带负电荷粒子替代氢原子中的电子,然后测量了将μ介子撞击到单质子原子核附近较高能量轨道上所需的能量的细微变化。这种变化对质子的半径很敏感,而比电子大200倍左右的μ介子使其测量起来简单几百万倍。

    2013年,另一项利用μ介子技术的研究证实了这种同此前对质子大小估测存在的差异。此前的测定涉及电子而非μ介子。研究人员试图寻找μ介子技术的缺陷,但目前已经放弃。“没有人质疑这项试验。”波兰华沙大学理论物理学家Krzysztof Pachucki表示。

    与此同时,也没有人能找到基于电子的测量存在何种错误。“下一步要开展的一组试验或许会解决这个问题。”伊利诺伊州阿贡国家实验室物理学家John Arrington表示,“它是一个我们希望很快能打败的‘僵尸’。”

邪恶的“我的上帝”粒子

    超高能宇宙射线拥有的能量比最强大的人造加速器产生的粒子高出几千万倍,并且至今仍是个谜——并未有宇宙中的已知现象能产生它们。2007年,皮耶奥格观测站似乎正走上发现这些有时被戏称为“我的上帝”粒子的来源的道路。该观测站的探测器散布在阿根廷3000平方公里的潘帕斯草原上。研究人员发现,这些射线看上去集中在特定星系附近的“热点”中。这表明,它们可能源自围绕星系中心超大质量黑洞的过热物质。然而,随着观测台累积更多数据,这种联系减弱了。

    就在认为可能存在“我的上帝”粒子热点的观点似乎已被舍弃时,北半球的一个新热点被一项由日本主导的、在犹他州进行的较小规模试验探测到。然而,由于该试验每年只能发现两三次此类事件,因此找到答案可能需要一段时间。为加快速度,合作组计划将望远镜阵列扩大近4倍,以覆盖约2500平方公里的区域。该项目有望花3年时间完成。

“大G”常数的永恒波动

    引力的强度到底是什么?令人吃惊的是,物理学家仍无法就“大G”常数的值达成一致。它在可追溯至1687年的牛顿万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论中均占据重要位置。不同的试验技术发现了截然相反的数值。而基于量子物理学的试验的加入,似乎让这种差异更加严重。

    一项旨在使来自全球的实验室联手寻找解决方法的行动正在进行中。不过,美国国家科学基金会(NSF)原子、分子和光学试验物理学项目负责人John Gillaspy认为,当前需要新想法。明年,NSF将资助一场头脑风暴会议。届时,来自不同物理学分支的研究人员将花一周时间试图提出解决这种差异的策略。

    有可能这种差异指向的不是测量问题,而是一些全新的东西。一些物理学家曾提出,不同技术会产生不同结果,因为与重力有关的物理学本身需要被修正。如果这样,这只“僵尸”可能是一种经过伪装的美丽的新生命形式。

(宗华)

《中国科学报》 (2015-11-09 第3版 国际)


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