物理学前沿：暗物质、夸克与光子的探索

物理学前沿八大难题

探索当今物理学的种种疑团

难题一：什么是暗物质？

我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%。各种测算方法都证实，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（中性子和轴子）但这仅是物理学的理论推测，并未探测到。有科学家认为，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面幸存下来。

暗能量

难题二：什么是暗能量？

宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。还有第二种成分，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。最近对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——扁平。这也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。

难题三：从铁到铀的重元素是如何形成的？

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。这就是太阳产生能量的情况，它提供了地球需要的热量。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，其中有大量现成的中子，尽管其成因还不清楚。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，当两颗中子星——微型的、燃烧后的星球遗骸——相撞塌陷成为黑洞时。

暗物质

难题四：中微子有质量吗？

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。(www.xing528.com)

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、伽玛射线光子和其他各种形式的亚原子榴霰弹都称作宇宙射线。它们无时无刻不在射向地球；当你读这篇文章的时候，可能正有几个穿过你的身体。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，以及被吸入星系中央巨大黑洞时的加速物质。了解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。夸克性质极其活跃，在自然状态下无法单独存在。它们会与其他夸克组成的光子和中子两者再与轻子结合形成整个原子。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，原子的基本成分有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-胶子等离子体。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10³³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多倍数的玻色子。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，短时间内形成一个光子并使光子衰变是可能的。

钱德拉望远镜拍摄到的巨大黑洞

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：空间是否不仅仅限于我们能轻易观察到的四维。这就将我们引向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。在那个宇宙——也就是我们宇宙中——其中的7维隐藏在超乎想象的微小空间中，以至于我们无法觉察到。弄懂这些多维空间的一个办法是，想象一个蛛网的一根丝。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。

中微子

中微子又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号ν表示。中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。粒子物理的研究结果表明，构成物质世界的最基本的粒子有12种，包括6种夸克（上、下、奇、粲、底、顶），3种带电轻子（电子、缪子和陶子）和3种中微子（电子中微子，缪中微子和陶中微子）。中微子是1930年德国物理学家泡利为了解释贝塔衰变中能量似乎不守恒而提出的，20世纪50年代才被实验观测到。