物理学前沿问题的分析介绍

小知识2　物理学前沿问题

1．暗物质形神难觅

科学家能找到的物质仅占整个宇宙物质理论值的10%。各种测算方法证实，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，但这仅是物理学的理论推测，并未探测到。据认为，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段幸存下来。

宇宙学最近的发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。还有以另外某种形式存在的暗能量。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。对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——扁平形状。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，却发现宇宙的质量密度仍少了2／3。

2．重元素的形成

暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始——氢、锂等轻元素形成的时候。较重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。这就是太阳发生的情况，太阳能经过漫长而遥远的空间到达地球后，仍然为地球地表附近的生物圈提供了足够的热量。核聚变产生比铁重的元素需要大量中子，天文学家认为较重的原子形成于超新星爆炸过程，其成因还不十分清楚。科学家已确定，至少如金、铅等几种最重的元素形成于更强的爆炸中，例如两颗中子星相撞塌陷成黑洞时。

3．中微子质量和高能粒子

物理学家曾经认为中微子是一种既不带电也没有静止质量的粒子，最新进展表明，中微子可能也有质量。任何这方面的证据都可作为理论依据，以寻找电磁力、强力和弱力的共性。大爆炸留下了大量的中微子，很小的质量也可以叠加到可观的数值。

太空中能量最大的粒子包括中微子、γ射线光子和其他形式的亚原子态都称作宇宙射线，并时刻不停地射向地球。宇宙射线能量很大，必须在大灾变造成的宇宙加速活动中产生。科学家估计其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获得巨大能量的缘由，将有助于研究这些物体的活动情况。

4．新的物质形态

能量极大的物质经历一系列变化，原子可分裂成基本粒子夸克和轻子。目前这些基本粒子不能分成更小的部分。现有科学可以推测，夸克性质活跃，自然状态下无法单独存在，会与其他夸克组成光子和中子，二者再与轻子结合形成原子。但当温度和密度上升到地球表面环境的几十亿倍时，原子基本成分有可能完全分离，形成夸克等离子体和将夸克聚合在一起的能量。物理学家正尝试在粒子对撞机中创造物质的这种形态，即夸克－胶子等离子体。在更高温度和压力下，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存在。

5．光子的稳定性

知道了物质的基本构成成分，有没有必要担心组成我们身体的物质结构中的光子会分解蜕变，将人变成一堆基本粒子和自由能量呢？这种顾虑可以说是杞人忧天。各种观察和实验表明，光子的稳定时间至少在10³³年以上。然而，许多物理学家认为，如果三种原子力是单个统一场的不同表现形式，超大玻色子就会不时从夸克中演化出来，使夸克及光子衰退。

按说微小的夸克不可能生成比它重这么巨大倍数的玻色子。但根据海森伯格测不准原理，我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置，这就可以大胆地提出这样一个命题：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。

6．宇宙空间维数

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观点对重力的解释，其中包括其他维的空间。宇宙的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。在我们的宇宙中，其他7维隐藏在极微小的空间中，以至无法觉察到。弄懂这些多维空间的一个办法是，想象蛛网上的一根丝。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。科学家解释，人们之所以看不见其他维的空间，是因为缺少能将它们分解的精密仪器。