小知識2　物理學前沿問題

1．暗物質形神難覓

科學家能找到的物質僅占整個宇宙物質理論值的10%。各種測算方法證實，宇宙的大部分是不可見的。最有可能的暗物質成分是中微子或其他兩種粒子，但這僅是物理學的理論推測，并未探測到。據(jù)認為，這三種粒子都不帶電，因此無法吸收或反射光，但其性質穩(wěn)定，所以能從創(chuàng)世大爆炸后的最初階段幸存下來。

宇宙學最近的發(fā)現(xiàn)證實，普通物質和暗物質還不足以解釋宇宙的結構。還有以另外某種形式存在的暗能量。這種神秘成分存在的一個證據(jù)來源于對宇宙構造的測量。愛因斯坦認為，所有物質都會改變它周圍時空的形狀。因此，宇宙的總體形狀由其中的總質量和能量決定。對大爆炸剩余能量的研究顯示，宇宙有著最為簡單的形狀——扁平形狀。這也反過來揭示了宇宙的總質量密度。但天文學家在將所有暗物質和普通物質的可能來源加起來，卻發(fā)現(xiàn)宇宙的質量密度仍少了2／3。

2．重元素的形成

暗物質和可能的暗能量都生成于宇宙初始——氫、鋰等輕元素形成的時候。較重元素后來形成于星體內部，核反應使質子和中子結合生成新的原子核。比如說，四個氫核通過一系列反應聚變成一個氫核。這就是太陽發(fā)生的情況，太陽能經過漫長而遙遠的空間到達地球后，仍然為地球地表附近的生物圈提供了足夠的熱量。核聚變產生比鐵重的元素需要大量中子，天文學家認為較重的原子形成于超新星爆炸過程，其成因還不十分清楚?？茖W家已確定，至少如金、鉛等幾種最重的元素形成于更強的爆炸中，例如兩顆中子星相撞塌陷成黑洞時。

3．中微子質量和高能粒子

物理學家曾經認為中微子是一種既不帶電也沒有靜止質量的粒子，最新進展表明，中微子可能也有質量。任何這方面的證據(jù)都可作為理論依據(jù)，以尋找電磁力、強力和弱力的共性。大爆炸留下了大量的中微子，很小的質量也可以疊加到可觀的數(shù)值。

太空中能量最大的粒子包括中微子、γ射線光子和其他形式的亞原子態(tài)都稱作宇宙射線，并時刻不停地射向地球。宇宙射線能量很大，必須在大災變造成的宇宙加速活動中產生?？茖W家估計其來源是創(chuàng)世大爆炸本身、超新星撞成黑洞產生的沖擊波，以及被吸入星系中央巨大黑洞時的加速物質。了解這些粒子的來源以及獲得巨大能量的緣由，將有助于研究這些物體的活動情況。

4．新的物質形態(tài)

能量極大的物質經歷一系列變化，原子可分裂成基本粒子夸克和輕子。目前這些基本粒子不能分成更小的部分。現(xiàn)有科學可以推測，夸克性質活躍，自然狀態(tài)下無法單獨存在，會與其他夸克組成光子和中子，二者再與輕子結合形成原子。但當溫度和密度上升到地球表面環(huán)境的幾十億倍時，原子基本成分有可能完全分離，形成夸克等離子體和將夸克聚合在一起的能量。物理學家正嘗試在粒子對撞機中創(chuàng)造物質的這種形態(tài)，即夸克－膠子等離子體。在更高溫度和壓力下，等離子體可能變成一種新的物質或能量形式。這種階段性變化可能揭示自然界的新力量。

要使這些力量結合起來，就必須要有一種新的超大粒子——規(guī)范玻色子，如果它存在的話，就可以使夸克轉變?yōu)槠渌Ｗ樱瑥亩姑總€原子中心的光子衰變。假如物理學家證明光子能夠衰變，那么這一發(fā)現(xiàn)就會證明有新力量存在。

5．光子的穩(wěn)定性

知道了物質的基本構成成分，有沒有必要擔心組成我們身體的物質結構中的光子會分解蛻變，將人變成一堆基本粒子和自由能量呢？這種顧慮可以說是杞人憂天。各種觀察和實驗表明，光子的穩(wěn)定時間至少在10³³年以上。然而，許多物理學家認為，如果三種原子力是單個統(tǒng)一場的不同表現(xiàn)形式，超大玻色子就會不時從夸克中演化出來，使夸克及光子衰退。

按說微小的夸克不可能生成比它重這么巨大倍數(shù)的玻色子。但根據(jù)海森伯格測不準原理，我們不可能同時知道一個粒子的動量和位置，這就可以大膽地提出這樣一個命題：一個巨大的玻色子在一個夸克中生成，短時間內形成一個光子并使光子衰變。

6．宇宙空間維數(shù)

對重力真正性質的研究也會帶來這樣的疑問：空間是否不僅僅限于我們能輕易觀察到的四維。這就將我們引向一些線性理論觀點對重力的解釋，其中包括其他維的空間。宇宙的線性理論模型將重力和其他三種力在復雜的11維宇宙中結合起來。在我們的宇宙中，其他7維隱藏在極微小的空間中，以至無法覺察到。弄懂這些多維空間的一個辦法是，想象蛛網上的一根絲。用肉眼來看，這根細絲只是一維的，但在高倍放大鏡下，它就分解成了一個有相當寬度、廣度和深度的物體?？茖W家解釋，人們之所以看不見其他維的空間，是因為缺少能將它們分解的精密儀器。