物理学11大困扰（上）

【美国《发现》月刊2月号文章】题：物理学重大的未解难题（作者　埃里克·哈兹尔廷）
这是一个现代物理学的故事：两位科学家在同一大学从事不同领域的研究。一位研究远离地球的巨大物体，另一位则关注面前的微小物质。为此，他们一个发明了功能最强的天文望远镜，一个制成了最好的显微镜。他们开始观察到以前从未见过的现象，但苦恼的是，观察结果与现有理论不相符。某天，他们不期而遇，于是谈起各自的困惑。突然之间，两人意识到，尽管他们研究的似乎是宇宙中截然相反的两极，但实际上却是相同的现象。就像盲人摸象，一个摸到了尾巴，一个则摸到了鼻子。
这正是当今量子物理学家和天文学家的发现。两年前，全国科学研究委员会就提到了这两个领域的会合。美国航天局局长丹尼尔·戈尔丁建议拟一份特别报告，详细论述天文学和物理学怎样互相促进。报告于最近发表，其中列出了11个深奥的问题，一部分有望在10年内解决。这样的话，科学有可能获得有史以来最大的飞跃。
问题1：什么是暗物质？
我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%。各种测算方法都证实，宇宙的大部分是不可见的。
要说宇宙中仅仅就是暗色尘云和死星体是很容易的，但已发现的有力证据说明，事实并非如此。
正是对宇宙中未知物质的寻找，使宇宙学家和粒子物理学家开始合作。最有可能的暗物质成分是中微子或其它两种粒子：neutralino和axions（轴子），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。
问题2：什么是暗能量？
宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。
这种神秘成分存在的第一个证据，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。最近对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状———是扁平的。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之后发现，宇宙的质量密度仍少了2/3。
第二个证据表明该成分一定是能量。对遥远超新星的观测显示，宇宙扩张速度并不像科学家设想的那么慢；事实上，扩张速度正在加快。宇宙的加速很难解释，除非有一股普遍的推动力持续将时空结构向外推。
问题3：从铁到铀的重元素如何形成？
暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期———氦、锂等轻元素形成的时候。较重的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氦核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。
当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，其中有大量现成的中子，尽管其成因还不清楚。最近，一些科学家已确定，至少一些最重的元素，如金、铅等，是形成于更强的爆炸中，当两颗中子星———微型的、燃烧后的星球遗骸———相撞塌陷成为黑洞时。
问题4：中微子有质量吗？
能形成重元素的核反应也能形成大量奇异的亚原子群，即中微子。它们属于轻子粒子群，比如常见的电子、μ介子和τ介子。因为中微子几乎不与普通物质发生相互作用，所以可以通过它们直接看到星体中心。要做到这一点，我们必须能够捕捉到它们并对它们进行研究，物理学家正在朝这个方向努力。
不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种———电磁、强力和弱力———的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子。
问题5：超高能粒子从哪里来？
太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、γ射线光子和其它各种形式的亚原子榴霰弹都称作宇宙射线。它们无时无刻不在射向地球；当你读这篇文章的时候，可能正有几个穿过你的身体。宇宙射线的能量如此之大，以至于它们必须是在大灾变造成的宇宙加速活动中产生。科学家估计的来源是：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它们如何得到如此巨大的能量，将有助于研究这些物体的活动情况。
问题6：是否需要新的光与物质理论来解释高能高温条件下发生的活动？
问题5中所列的剧烈活动留下了明显的辐射余迹，尤其是以γ射线的形式———比一般光线能量大得多的射线。30年前，天文学家就已知道，这些射线的眩目闪烁，即γ射线爆裂，每天都会从天空中随意降落。最近，天文学家已确定了爆裂的位置，并初步推测它们是巨大超新星爆炸和中子星与自身及黑洞的碰撞。
但即使现在，仍没人知道这么多能量在空中环绕时发生了什么。物质变得非常热，以至于它以异常的形式与辐射相互作用，而辐射光子能互相撞击产生新的物质。物质与能量的界限开始变得模糊。如果加入磁场因素，物理学家也只能对这种可怕环境下的活动做粗略的推测。也许现有的理论根本不足以解释这些现象。