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物理学中的行尸走肉?

当一个科学实验结果似乎表明有全新的东西出现时,那么后续的实验要么确认这个发现(这有可能使得教科书被重写),要么表明它是一个测量异常或实验失误——这才是一个实验的完整过程。但是在物理学、天文学和宇宙学中,一些实验结果似乎始终停留在光与影之间的中间地带,不能肯定,也不能否定,就像一具僵尸一样放在那儿。

邪恶轴心

宇宙大爆炸产生的余晖,称为宇宙微波背景辐射,它在宇宙各处几乎都是均匀的。从一点到另一点,其温度的变化要小于十万分之一。宇宙学家将这些微小的温度涨落看作一种随机的结果。2003年,美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)对宇宙微波背景辐射进行了测量,绘制出了整个天空背景辐射的温度分布图。不过,所绘制的温度分布图却显示出了一些异常的图案:神秘的大冷斑潜伏在南方的天空上;天空中大部分地方的温度都要比预期的更加均匀;在某个波段下的温度分布图中,似乎还存在着一条明显的线,贯穿天空,被称为“邪恶轴心”。

一些科学家认为,这些异常应该是WMAP测量时出现的误差导致的。WMAP又进行一系列后续的观测,而之后由欧洲航天局所发射的灵敏度更高的普朗克卫星也对此做了调查,但是这些异常仍旧存在。

这些异常图案没有办法被否定掉,但科学家还无法解释它们,就这样半死不活的已十多年了。一批科学家认为它们更有可能只是一种随机的结果。事实上,在随机温度分布图中,你肯定能找到很多稀奇古怪的图案。而另一批科学家却认为,这些异常图案的存在是有理由的。他们开始寻求相关的解释,尤其是对那个大冷斑的解释。在未来,对宇宙微波背景辐射更为精确地观测也许会决定究竟哪一批科学家是正确的。

季节性的暗物质信号

就像鬼魂可以穿过墙体一样,星系中的暗物质会不断地从各个方向穿过地球,甚至会穿过我们的身体。尽管暗物质被认为占了宇宙物质总量的85%左右,但是我们从来没能直接检测到它们。然而,从上个世纪90年代末开始,坐落于意大利大萨索山下的名为DAMA的地下实验室,已经不断地检测到一种可能是暗物质在与碘化钠晶体发生碰撞的信号。这些信号的强度是随着季节发生变化的。这个理论是符合预期的,因为随着地球的公转,地球相对于周围暗物质的速度就会发生季节性的改变。

然而,其他原因也会产生随着季节变化的信号,这意味着检测到的信号不一定是由暗物质产生的。然而后续的其他实验都没有找到DAMA所检测的那种信号。那么这个实验结果是真实可靠的,还是子虚乌有的?如果是真实的,是由暗物质引起的,还是由别的原因引起的?没有人能够给出一个确凿的证据,只能半死不活地放在那儿。

现在,DAMA项目仍在继续积累证据,希望这个实验最终能被证明。而在南半球有两个检测暗物质的实验正计划研究这个季节性的信号:一个实验是建于南极冰层下的DM-Ice实验,另一个是位于澳大利亚的思朵地下物理实验室(目前正在建造当中)的实验。南半球的季节与北半球的相反,也许那里的实验将最终可以解决那个神秘的信号。

银河系中神秘的光芒

在太空中,更多的有关暗物质的戏剧性故事正在上演。2009年,两位物理学家从美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜的数据中,发现了一个神秘的异常之多的伽马射线。他们认为这种伽马射线无法用已知的物质来解释,更有可能是集中在银河系中心附近的暗物质粒子发生碰撞并互相湮灭产生的。

之后,一些其他的研究团队对这个伽马射线也提出了解释,却没有涉及到暗物质。例如一些解释认为,伽马射线来源于脉冲星——一种恒星死亡后的残骸,但是还没人能确定这肯定不是暗物质产生的。在过去的几个月里,荷兰阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家们在一篇文章中列举了各种证据,一些证据可以证实这是由暗物质产生的这种猜想,另一些却又可以证伪这种猜想,结果仍然莫衷一是。

诡异的质子半径差异

鉴于质子是宇宙中最常见的和被充分研究过的粒子,许多人会认为物理学家对质子的大小会有一个统一的认识,但事实并非如此。

传统上,研究人员要想测量质子的大小,需要测量氢原子中的电子从低能级变为高能级时所需的能量,而质子的半径决定着这个能量的大小。而在2010年,来自德国马克斯·普朗克量子光学研究所的一个研究小组利用了一种全新的技术测量了质子的半径。他们把氢原子的电子替换为μ子(一种带负电荷的粒子),然后测量把μ子从低能级变为高能级时所需的能量。因为μ子比电子重200多倍,这样使得测量变得更加容易。但是,他们测量的结果却比传统的结果小了约4%。

2013年,第二个使用μ子测量技术的实验也证实了质子的半径与传统的测量存在差异。这使得研究人员推测,差异是否是因为使用了μ子技术而产生的,他们试图找到μ子技术的缺陷,但却怎么也找不到。

与此同时,也没有人能找出电子测量技术哪里出了问题。一系列新的实验正在开展,也许会解决质子半径之谜。鉴于质子对于粒子物理学的重要性,研究人员希望把这具“僵尸”尽快入土为安。

惊人的OMG粒子

超高能宇宙射线有时也被称为“我的天啊”(Oh My God)粒子,其能量比人类用粒子加速器制造的最强粒子的能量还要高出上千万倍,但是它们的来源却是一个谜,我们不知道宇宙中哪些已知现象可以产生它们。2007年,位于阿根廷的皮埃尔·奥格宇宙线观测站的研究人员发现,超高能宇宙射线似乎集中在附近个别星系的“热点”上。这些热点位于星系中心的超大质量黑洞那里,于是研究人员推测超高能宇宙射线可能是围绕黑洞的过热物质产生的。但随着观测站积累的更多数据,似乎又否定了这种可能。

超高能宇宙射线来自于星系热点的观点似乎行将死亡,然而位于美国犹他州的望远镜阵列最近又探测到了来自于星系热点的超高能宇宙射线。但这仍不能表明“超高能宇宙射线来自于热点”的观点就此被证实了,因为统计数据大大不足。研究人员每年通过望远镜只能检测到两个或三个事件,所以可能还需要很多年才能搞清楚超高能宇宙射线的真实面目。

变来变去的G

引力的强度究竟是多少?在牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论中,都用万有引力常数G来衡量引力的强度。然而,令人惊讶的是,G究竟是多少,物理学家们仍然不能达成一致。使用不同技术的实验给出了不同大小的G值。尤其是那些基于量子物理的实验,使得G值差异问题变得更加糟糕。

于是,一项倡议提了出来:让来自世界各地的实验室联合起来,一起去寻找一个解决方案。研究人员需要一个全新的解决办法,于是美国国家科学基金会赞助了一个将在2016年举行的“头脑风暴”会议。来自从事不同物理学分支研究的研究人员将花一周时间试图想出一个策略来解决G值差异问题。当然,最终结果也可能是,大家都不知道如何解决这个问题。

另外也有这种可能,G值差异不是因测量问题引起的,而是来自全新的东西。一些物理学家认为,使用不同的实验技术得出不同的结果,是因为引力的物理学本身需要加以修订。如果是这样,这具“僵尸”可能是一个处在伪装中的美丽新生命。

(本文源自大科技*科学之谜2016年第3期文章)

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