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今年10月8日，2013年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)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(guó)理論物理學(xué)家彼得·希格斯因預(yù)測(cè)希格斯玻色子的存在而獲得2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 長(zhǎng)期以來，希格斯玻色子的蹤跡占據(jù)著整個(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(tuán)。物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了62種基本粒子的存在，其他粒子都已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，只有希格斯玻色子未得到確認(rèn)。由于它極其重要又難以找到，故被稱為“上帝粒子”。作為最后一種未被發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)不僅為上述兩位科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)奠定了基礎(chǔ)，也成為探索“上帝粒子”漫長(zhǎng)征程的里程碑。 盡管對(duì)于“上帝粒子”的研究已經(jīng)曙光初現(xiàn)，但物理學(xué)家們并不能放松研究的腳步。美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站稱，物理學(xué)領(lǐng)域還存在9大謎團(tuán)讓物理學(xué)家們輾轉(zhuǎn)反側(cè)、夜不能寐。其中的一些謎團(tuán)可能在10年內(nèi)揭開其神秘的“面紗”，如果是這樣的話，科學(xué)將發(fā)生歷史上最偉大的一次飛躍。 科學(xué)界流傳著一個(gè)段子：1900年，英國(guó)物理學(xué)家、絕對(duì)溫標(biāo)的制定者開爾文男爵斷然宣稱：“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(xiàn)，我們能做的只是進(jìn)行一些越來越精確的測(cè)量�！� 然而，令開爾文男爵絕對(duì)想象不到的是，現(xiàn)實(shí)無情地抽了這個(gè)預(yù)言一記耳光。他說這句話不到30年，言猶在耳，量子力學(xué)和愛因斯坦的相對(duì)論就徹底顛覆了物理學(xué)領(lǐng)域。今天，沒有物理學(xué)家膽敢宣稱我們對(duì)于宇宙學(xué)的知識(shí)已經(jīng)接近飽和。相反，每個(gè)新發(fā)現(xiàn)似乎都打開了一個(gè)更大的“潘多拉的魔盒”，向人類提出更深層次的物理問題。 什么是暗能量？ 科學(xué)家們對(duì)遙遠(yuǎn)的超新星進(jìn)行的觀察表明，宇宙膨脹的速度并不像他們?cè)人俣ǖ哪菢釉诜怕�；事�?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(jié)構(gòu)朝內(nèi)拉，所以宇宙中必然存在著一種遍布宇宙的、不斷將時(shí)間和空間的結(jié)構(gòu)向外推出的排斥力，科學(xué)家們將這種看不見的力稱為“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(shù)”，是宇宙空間本身固有的屬性，其會(huì)對(duì)空間施加“負(fù)壓力”，將空間撕開。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^測(cè)到的宇宙膨脹率，科學(xué)家們推斷，所有的暗能量占據(jù)了宇宙70%的空間，但沒有人知道如何尋找暗能量。 什么是暗物質(zhì)？ 顯而易見，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)”無法被直接觀察到，迄今為止科學(xué)家們也沒有通過間接的手段探測(cè)到其“蹤跡”。科學(xué)家們通過其對(duì)可見物質(zhì)的引力效應(yīng)、輻射和宇宙結(jié)構(gòu)來推測(cè)暗物質(zhì)的存在和屬性。 科學(xué)家們認(rèn)為，這種像影子一樣隱藏的物質(zhì)彌漫在星系周圍，而且可能由“大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMP)”組成，但到現(xiàn)在也還沒有人發(fā)現(xiàn)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)，比如雞蛋打破就無法回復(fù)到為打破之前的狀態(tài)，這是因?yàn)橛钪娲嬖谝环N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，而且隨著事情發(fā)生變化，粒子更容易陷入混亂中。 但最根本的問題是，為什么過去的熵如此低呢？換句話來說，為什么宇宙開始如此有序，那時(shí)大量能量簇?fù)碓谝粋�(gè)非常小的空間內(nèi)？ 是否存在平行宇宙？ 天體物理學(xué)的數(shù)據(jù)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(yuǎn)繼續(xù)下去。如果真是那樣的話，那么我們能夠看到的區(qū)域(我們將其稱為“宇宙”)僅僅是一個(gè)無限大的“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(nèi)，粒子可能的組合的數(shù)量是有限的(共有10的10次方的122次方)。因此如果存在著無限多的宇宙片，那么其間必然會(huì)重復(fù)出現(xiàn)相同的粒子組合——不斷重復(fù)無數(shù)次。這就意味著，存在著無限多的平行宇宙：也就是說，與我們的宇宙一模一樣的宇宙片；那也意味著，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，在廣袤無垠的空間飄蕩。 這個(gè)邏輯有錯(cuò)誤嗎？這種匪夷所思的結(jié)果是真的嗎？如果它是真的，我們?nèi)绾尾拍芴綔y(cè)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(shù)量比與其電荷相反、自旋方向相反的“雙胞胎”——暗物質(zhì)的數(shù)量多？這一問題也可以理解成，為什么萬事萬物會(huì)存在？一種假定認(rèn)為，早期宇宙中的能量應(yīng)當(dāng)混合生成了數(shù)量相等的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們隨后本來應(yīng)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(jié)果就是，在一個(gè)無質(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(jī)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(xiàn)在看到的布滿恒星的星系、宇宙以及我和你。除此之外沒有其他可以接受的解釋。 宇宙的終極命運(yùn)如何？ 宇宙的終極命運(yùn)主要仰賴一個(gè)未知的因子： Ω，這是用于測(cè)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(yùn)動(dòng)，那就是開始萎縮，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(yuǎn)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”。在這種情況下，其最終命運(yùn)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。接下來這種加速會(huì)變得非常強(qiáng)烈，足以讓將原子緊緊結(jié)合在一起的作用力潰不成軍，萬事萬物最終都將被掰開。 如果Ω等于1，宇宙是平的，那么它會(huì)像個(gè)無限的水平面一樣朝各個(gè)方向延伸。如果沒有暗能量，這樣的一個(gè)平面宇宙將永遠(yuǎn)延伸下去，但延伸的速度會(huì)不斷降低，最終接近靜止?fàn)顟B(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(dǎo)致“大解體”(Big Rip)。 測(cè)量如何讓量子波函數(shù)塌縮？ 在電子、光子和其他基本粒子組成的奇妙國(guó)度里，量子力學(xué)就是統(tǒng)轄一切的“國(guó)王”。粒子的行為不同于小球，而是像波一樣在很大的范圍內(nèi)傳播。科學(xué)家們用一個(gè)“波函數(shù)”或者概率分布來描述一個(gè)粒子。這一函數(shù)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。 在通過實(shí)驗(yàn)對(duì)粒子的屬性進(jìn)行測(cè)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(cè)量之后，粒子的波函數(shù)就“塌縮”了，僅僅采用一個(gè)位置。 那對(duì)一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量如何以及為什么會(huì)使其波函數(shù)塌縮，從而產(chǎn)生一個(gè)我們覺察到其存在的具體現(xiàn)實(shí)呢？這個(gè)測(cè)量問題似乎是個(gè)難解之謎。但這個(gè)謎題的答案是我們理解什么是現(xiàn)實(shí)，或者是否真的存在現(xiàn)實(shí)這些問題的“鑰匙”。 弦理論是否正確？ 弦理論的創(chuàng)建者為美國(guó)著名物理學(xué)家邁克爾·格林，目前他接替英國(guó)著名科學(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(shù)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(chǔ)很簡(jiǎn)單，但卻能得出令人難以置信的結(jié)論。格林認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)模型不同，弦理論認(rèn)為，宇宙間的萬事萬物都由一條極小的環(huán)形弦構(gòu)成。格林解釋道：“弦與點(diǎn)最大的區(qū)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型的基本粒子。這是一個(gè)非常有趣且充滿詩(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(tǒng)轄粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)和統(tǒng)轄空間—時(shí)間規(guī)律的廣義相對(duì)論“和平共處”，而且能將自然界中四個(gè)基本的作用力統(tǒng)一成一個(gè)架構(gòu)。 但是仍有一兩個(gè)問題。首先這些弦太小了，從未有人看到過什么物質(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，沒有辦法來探測(cè)這么微小的事物，所以，也沒有可知的方式來通過實(shí)驗(yàn)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)完全顛倒過來。格林說：“當(dāng)你探測(cè)到弦這么小的尺度，整個(gè)宇宙就盡在你的掌控之中，因?yàn)橛钪嬉彩菑倪@樣的大小開始，演化成我們今天所看到的樣子。所以這個(gè)你認(rèn)為是最小的部分，可能實(shí)際上包含了萬事萬物。你可以說它是宇宙中最小的物質(zhì)，也可以放心大膽地說，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?yàn)樗鼈兠枋隽舜罅繉?duì)學(xué)術(shù)和經(jīng)濟(jì)有用的現(xiàn)象的物理過程，可以用于模擬天氣、洋流、管道中的水流、星系中恒星的運(yùn)動(dòng)、翼型周圍的氣流；也可以用于飛行器和車輛的設(shè)計(jì)、血液循環(huán)的研究、電站的設(shè)計(jì)、污染效應(yīng)的分析等等。 但現(xiàn)在物理學(xué)家們?nèi)匀粺o法正確地理解這套方程式。實(shí)際上，我們現(xiàn)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?nèi)圆涣私獾拿麨椤捌纥c(diǎn)”的點(diǎn)。如此看來，混亂的“性格”并不那么容易捉摸。 物理學(xué)家們和數(shù)學(xué)家們都想知道，天氣是僅僅難以預(yù)測(cè)還是根本就不可能預(yù)測(cè)？另外，雖然湍流是日常經(jīng)驗(yàn)中就可以遇到的，但這類問題極難求解，有鑒于此，2000年5月，美國(guó)克雷數(shù)學(xué)研究所設(shè)立了一個(gè)100萬美元的大獎(jiǎng)，獎(jiǎng)給對(duì)理解這一現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)的人。(記者劉霞) |
