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物理學的五個絕妙想法


2017年10月20日21時 今日科學 博科園
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博科園-科學科普很多人抱怨科學太單一了,自己是「群體思維」的受害者,而那些想出新點子的人通常被貼上「瘋子」的標籤。但是正如新穎的想法和理論被重視一樣,創造力並不總是等同於正確的。尤其是物理學的歷史充斥著智慧、創造性、開箱即用是完全錯誤的思想。從「大爆炸理論」替代「穩態理論,甚至」如「標準模型」替代「Sakata模型」,替代思想對於將實際的宇宙與預測和期望進行比較是很重要的。

今天觀察到的膨脹宇宙充滿了星系和複雜的結構,從一個更小、更熱、更密集、更均勻的狀態產生。《穩態理論》由於大量的觀測證據而「失寵」(被大爆炸理論所替代),但這些堅定的追隨者從未改變過他們的想法,直到他們死的那刻也未曾改變。圖片:C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science

319, 5859 (47)

馬克斯·普朗克(Max Planck):一個新的科學真理並不是通過說服對手,讓他們看到光明而取得勝利,而是因為它的對手最終會消亡,而新一代的人則是熟悉它的。這裡有5個關於新物理的絕妙想法,自20世紀80年代以來一直很受歡迎,至今仍很受歡迎。

TOP1、質子衰變

超級神岡的裝滿水的水箱,為質子的壽命進行了精確的測量。

標準模型將電磁力與弱核力統媒介促使了wz - z玻色子的發現。如果強大的核力與電弱相結合會發生什麼?對於第一個偉大的統一理論有許多結果,其中一個是令人驚訝和引人注目的是一個新的超重玻色子將會存在,它將介導質子的衰變。預期壽命約為10 ^ 30年,實驗收集10 ^

30個質子(水)的形式建立一個探測器周圍,並等待衰變的特徵。雖然這個實驗裝置被證明是一個偉大的中微子探測器,但它並沒有看到一個質子衰變。現在科學家們確定了質子壽命大於10 ^ 35年,根據目前所觀測沒有理由認為質子會衰變。

TOP2、修正引力

觀察到的曲線(黑點)和總正常物質(藍色曲線)以及恆星和氣體的各種成分,這些都有助於星系的旋轉曲線。修正的引力和暗物質都可以解釋這些旋轉曲線。圖片:The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies, Stacy McGaugh, Federico

Lelli and Jim Schombert, 2016

當觀察旋轉的星系時很快就會發現旋轉的速度與所能看到的物質的數量不匹配。這不僅適用於恆星,也適用於氣體、塵埃、等離子體和黑洞。可以考慮添加一種新的質量形式,(暗物質)為了彌補這個差異,或者可以試著通過修改萬有引力定律。這兩種方法都能給單個星系帶來合理的解釋。

但同時也得到其他一些問題:

1、大規模的結構形成

2、宇宙微波背景下的波動

3、星系群內單個星系的運動

4、引力透鏡的數量和形狀

5、合併星系團的引力作用

以sachs - wolfe和整合的sachs -

wolfe效應,以及暗物質與正常物質(從單個恆星的運動中推斷出的)在不同尺度/大小的星系中所占的比例。當添加暗物質參數時都會匹配,但當修改引力時能解決一個問題,卻不能解決其他問題,在過去的35年里修改完善引力的導致許多問題的產生,所有這些都不能觀察到的相符。

TOP3、超對稱

標準模型粒子和它們的超對稱粒子。在弦理論中,這種粒子的光譜是統一四種基本力的必然結果。圖片:Claire David

為什麼在普朗克尺度(10^19 GeV)和我們已知的粒子質量(峰值 10^2

GeV)之間存在如此大的差異?解決這個問題的一個想法是超對稱,它假定每一個標準模型粒子,都應該有一個超級夥伴粒子來保護這個質量。雖然有許多優雅的理由支持超對稱性,但事實是這些粒子應該存在於與質量最高的標準模型粒子相同的質量中。隨著大型強子對撞機的出現,已經確定如果這些粒子存在,會比標準模型粒子重很多倍,以至於它不再能解決質量差問題。作為一種解釋這種等級問題的理論,超對稱已經完全消失了。

TOP4、顏色

紅色-綠色-藍色的混合類似於QCD的動力學,圖片:Wikipedia user Bb3cxv

希格斯粒子給宇宙中的粒子提供了靜止質量,但如果沒有希格斯粒子呢?還有另一種得到質量的方法嗎? 了解另一種機制來給粒子質量,但從理論上講應該在沒有看到的電弱尺度上產生了新的物理現象,也不應該改變中性電流(某種類型的粒子衰變)。但是關於希格斯玻色子存在的實驗證實,呈現出了「彩色粒子」的概念,然而工作仍在繼續這個不可信的想法。

TOP5、基於wimp的暗物質

對WIMP暗物質的確定是相當重要的,實驗上的最低的曲線排除了WIMP(弱相互作用大粒子)的橫截面和暗物質質量。圖片版權:Xenon-100 Collaboration (2012), arxiv

這是一個真正有爭議的問題,因為暗物質存在的證據是壓倒性的。它必須以某種方式被創造出來,並且在標準模型上有大量的擴展,它們產生的粒子是巨大的,中性的並且不會通過電磁或強大的核力相互作用。在宇宙的某個地方應該有一種粒子(或一組粒子)對宇宙中缺失的物質——暗物質。間接的天體物理學證據是壓倒性的。但由於某些原因,絕大多數直接檢測工作都集中在一個特定狹窄的模型上,在特定質量範圍內的弱相互作用的大粒子上:約10^2

-10^3 GeV。基於WIMP的暗物質的原始能量即所謂的WIMP奇蹟,已經被證明是不可靠的,在尋找其他形式的暗物質的過程中已經有很長的一段時間了。

低溫電磁諧振腔被插入到腔室中,就像ADMX所使用的那樣,Axions是一種微弱的暗物質。圖片版權:Axion Dark Matter Experiment (ADMX), LLNL’s flickr

事實是一個新的科學理論所能做的最好的事情就是預測在這個宇宙中所能看到的東西。當去尋找它的時候應該是答案所在。如果不是或者在某個地方犯了錯又或者應該是放棄的理論。可以小一點的改變理論參數的策略,堅持認為關鍵的發現是不可能的,實驗可能也是永無止境的,除非有一個新的理由對這些想法產生共鳴,比如新數據,新理論或者是之前發現的錯誤,繼續在這些地方尋找新的物理學!

作者:Ethan Siegel(天體物理學家)

來自:Forbes science

編譯:光量子

審校:博科園


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