【科技評論】物理學最前沿八大難題

當今科學研究中三個突出的基本問題是：宇宙構成、物質結構及生命的本質和維持，所對應的現代新技術革命的八大學科分別是：能源、信息、材料、微光、微電子技術、海洋科學、空間技術和計算機技術等。物理學在這些問題的解決和學科中佔有首要的地位。

我們可以從物理學最前沿的八大難題來了解最新的物理學動態。

難題一：什麼是暗能量

宇宙學最近的兩個發現證實，普通物質和暗物質遠不足以解釋宇宙的結構。還有第三種成分，它不是物質而是某種形式的暗能量。

這種神秘成分存在的一個證據，來源於對宇宙構造的測量。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。最近科學家對大爆炸剩餘能量的研究顯示，宇宙有著最為簡單的形狀——是扁平的。這又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之後發現，宇宙的質量密度仍少了2／3之多！

難題二：什麼是暗物質

我們能找到的普通物質僅占整個宇宙的4％，遠遠少於宇宙的總物質的含量。這得到了各種測算方法的證實，並且也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： neutralino和axions（軸子），但這僅是物理學的理論推測，並未探測到，據說是沒有較為有效的測量方法。又這三種粒子都不帶電，因此無法吸收或反射光，但其性質穩定，所以能從創世大爆炸後的最初階段倖存下來。如果找到它們的話，很可能讓我們真正的認識宇宙的各種情況。

難題三：中微子有質量

不久前，物理學家還認為中微子沒有質量，但最近的進展表明，這些粒子可能也有些許質量。任何這方面的證據也可以作為理論依據，找出4種自然力量中的3種——電磁、強力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以疊加，因為大爆炸留下了大量的中微子，最新實驗還證明它具有超過光速的性質。

難題四：從鐵到鈾的重元素如何形成

暗物質和可能的暗能量都生成於宇宙初始時期——氫、鋰等輕元素形成的時候。較重的元素後來形成於星體內部，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。這就是太陽發生的情況，它提供了地球需要的熱量。當然也還有其它的種種核反應。

當核聚變產生比鐵重的元素時，就需要大量的中子。因此，天文學家認為，較重的原子形成於超新星爆炸過程中，有大量現成的中子，儘管其成因還不很清楚。另外，最近一些科學家已確定，至少一些最重的元素；如金、鉛等，是形成於更強的爆炸中。還有一點需要確定，即當兩顆中子星相撞還會塌陷成為黑洞。

難題五：超高能粒子從哪裡來

太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、Y射線光子和其他各種形式的亞原子榴征彈都稱作字宙射線。它們無時無刻不在射向地球；當你讀這篇文章的時候，可能就有幾個在穿過你的身體。宇宙射線的能量如此之大，以至於它們必須是在大災變造成的宇宙加速活動中才能產生。科學家估計的來源是：創世大爆炸本身、超新星撞成黑洞產生的衝擊波，以及被吸人星系中央巨大黑洞時的加速物質等等。了解了這些粒子的來源以及它們如何得到如此巨大的能量，將有助於研究這些物體的具體的活動情況。

難題六：超高溫度和密度之下是否有新的物質形態

在能量極大的情況下，物質經歷一系列的變化，原子分裂成其最小的組成部分。這些部分就是基本的粒子，即夸克和輕子，據目前所知它們不能再分成更小的部分。夸克的性質是極其活躍，在自然狀態下是無法單獨存在。它們會與其他夸克組成光子和中子，兩者再與輕子結合就形成了整個原子。

這都是現有科學可以推測的，但當溫度和密度上升到地球上的幾十億倍時，原子的基本成分很可能會完全分離開來。形成夸克等離子體和將夸克聚合在一起的能量。物理學家正嘗試在長島的一台粒子對撞機中創造物質的這種形態，即一種夸克一膠子等離子體。在遠遠超過這些科學家在實驗室中所能創造出的更高溫度和壓力之下，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——規範玻色子，如果它存在的話，就可以使夸克轉變為其他粒子，從而使每個原子中心的光子衰變。假如物理學家證明光子能夠衰變，那麼這一發現就會證明有新力量的存在。

難題七：光子是不穩定的嗎？

如果你擔心組成你的光子會分解蛻變，將你變成一堆基本粒子和自由能量，那大可不必為此著急。各種觀察和試驗表明，光子的穩定時間至少在10的33次方年。然而，許多物理學家認為，如果這三種原子力確實是單個統一場的不同表現形式，前文所說的神秘變化的超大玻色子就會不時從夸克中演化出來，使夸克及其組成的光子衰退。

如果一開始你認為這些物理學家腦子出了毛病，那也是情有可原的，因為按理說微小的夸克不可能生成比它重這麼巨大倍數的玻色子。但根據海森伯的測不準原理，我們不可能同時知道一個粒子的動量和位置，這就間接使這樣一個大膽命題可以成立。因此，一個巨大的玻色子在一個夸克中生成，在很短時間內形成一個光子並使光子衰變是可能的。

難題八：有幾維空間

對重力真正性質的研究也會帶來這樣的疑問：空間是否僅僅限於我們能輕易觀察到的四維呢？

這就將我們引向了一些線性理論學家對重力的解釋，其中就包括其他維的空間。開始的宇宙線性理論模型將重力和其他三種力在複雜的11維宇宙中結合起來。在那個字宙——也就是我們宇宙中——其中的7維隱藏在超乎想像的微小空間中，以至於我們無法覺察到。弄懂這些多維空間的一個辦法是，想像一個蛛網的一根絲。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。線性理論學家說，我們之所以看不見其他維的空間，只是因為缺少能將它們分解的精密儀器。

（來源：環球物理）

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