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《自然》盘点既不能证实也无法搁置的六项研究

作者:行政管理
出处:www.lunrr.com
时间:2019-12-25

作者:宗华资料来源:中国科学新闻,发布时间:2015/11/9 10:85333616

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探索物理学中的六个“僵尸”

《自然》六项既不能被证实也不能被搁置的研究清单

《自然》杂志结合了物理学、天文学和宇宙学中的一些发现研究人员多次让他们独处,却发现他们总是“死”。

当一项科学成就显示出真正新颖的东西时,随后的实验要么证明它重写教科书,要么证明它是测量异常或测试错误。然而,一些发现似乎总是被夹在中间。甚至复制这些结果的努力也几乎没有结果。欢迎来到僵尸物理世界。

在刚刚过去的万圣节,《自然》杂志梳理了物理学、天文学和宇宙学的一些发现研究人员让他们自己照顾自己很多次,却发现他们总是“闹鬼”。

“邪恶轴心”

被称为宇宙微波背景辐射(CMB)的大爆炸暗淡的余辉几乎在所有方向都是相同的。从一点到另一点,它的温度变化不到1/100,000。宇宙学家预测这些微小的温差是随机分布的,但是在2003年,当美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星测量CMB并将这些波动映射到不同的尺度时,一些意想不到的模式出现了。南方天空中隐藏着一个神秘的冷点。天空中大多数区域之间的波动比预期的要小得多。然而,一些规模波动似乎在一个特定的方向上对齐,形成所谓的“邪恶轴心”。

一些科学家认为这些特征可能是WMAP测量的“人工产物”。然而,在WMAP和随后欧洲航天局普朗克任务的进一步观察中,这些异常拒绝离开。"我想他们已经是僵尸10年了."加拿大滑铁卢理论物理研究所普朗克科学小组成员兼宇宙学家肯德里克史密斯说。

在包括史密斯在内的一些人看来,这些特征随机出现的概率可能高于直觉,因为那些观察到的现象只是所有可能奇怪现象的一部分。其他人正在寻找能够解释这些意想不到的模式的现象:特别是,冷点与巨大的宇宙空间相关联。史密斯说,进一步测试测量中巴两极分化将有更高的准确性,并揭示谁是对的。

季节性“幽灵”暗物质“就像一股恶魔风,可以穿透墙壁。银河系中的暗物质可以从四面八方不断穿透地球,甚至人体。这种物质被认为约占宇宙物质的85%,但从未被清楚地探测到。然而,自20世纪90年代末以来,意大利萨索山地下洞穴实验室DAMA的物理学家发现暗物质与碘化钠晶体可能相互作用。这些信号的强度根据季节模式而变化,这是可以预测的,因为地球围绕太阳的速度应该相对于周围的暗物质而变化。

但是,还有其他现象会随着季节而变化,并可能产生错误的结果。随后的测试几乎完全摧毁了DAMA的探测研究人员没有发现暗物质信号,或者发现的微弱信号对许多人来说并不令人信服。然而,DAMA项目继续积累证据,保持暗物质已经被探测到的想法。

没有人质疑测试是在检测季节性波动。然而,尚不清楚这些变化是由暗物质还是其他东西引起的。在南半球,季节正好相反,两个计划中的实验可能会带来答案:一个名为DM-Ice的实验将在南极冰上进行,另一个将在澳大利亚的斯塔威地下物理实验室进行。

更多的暗物质出现在太空中。2009年,两位物理学家在美国宇航局费米伽马射线太空望远镜的数据中发现了一种神秘的光。他们认为这种电磁辐射可能是暗物质粒子聚集在银河系中心附近,然后相互碰撞摧毁它的结果。它以伽马射线的形式存在,似乎超出了应该从已知来源生产的物质的范畴。

从那以后,一些团队提出了伽马射线的其他非暗物质解释。最新的观点是它来自脉冲星,死星的残余。然而,研究人员发现暗物质的解释总是很快“爬回来”。在过去的几个月里,荷兰阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家克里斯托弗温伊格尔(Christoph Weniger)在他的合着论文中展示了支持和反对暗物质起源的证据。“我只想澄清正在发生的事情。”温伊格尔说,目前他稍微倾向于脉冲星的解释。

加州大学欧文分校的物理学家新美乐股份公司穆吉亚说,费米团队期待已久的正式分析再次未能解决物质的来源。"最后,我们还观察到许多神秘的光."穆尔吉娅说,“虽然我们不确定这是否是暗物质。”

恶魔质子差异

考虑到质子是宇宙中最常见和研究最充分的粒子之一,人们期望物理学家对它的大小有一个彻底的了解。然而,德国马克斯普朗克量子光学研究所的兰道夫波尔(Randolf Pohl)和他的团队在2010年测量了质子的半径,发现它比先前预测的要小4%。该团队使用了一种新技术,用一种叫做μ子的带负电荷的粒子代替氢原子中的电子,然后测量将μ子撞击到单个质子原子核附近的高能轨道所需的能量的细微变化。这种变化对质子的半径非常敏感,比电子大200倍的μ子使得测量几百万次变得简单。

2013年,另一项使用μ介子技术的研究证实了这一与先前质子大小估计的差异。先前的测量涉及电子而不是μ子。研究人员试图发现μ子技术的缺陷,但已经放弃了。"没有人质疑这个实验。"波兰华沙大学的理论物理学家克日什托夫帕丘基说。

与此同时,没有人能发现基于电子的测量中存在什么样的误差。"下一组测试可能会解决这个问题."伊利诺伊州阿尔贡国家实验室的物理学家约翰阿林顿说,“这是一个‘僵尸’,我们希望很快击败它。”

邪恶的“我的上帝”粒子

超高能宇宙射线的能量比最强大的人造加速器产生的粒子多几千万倍,仍然是个谜宇宙中没有已知的现象能产生它们。2007年,皮罗基天文台似乎正在探索这些粒子的起源,有时被昵称为“我的上帝”。天文台的探测器散布在潘帕斯3000多平方公里的阿根廷草原上。研究人员发现,这些射线似乎集中在特定星系附近的“热点”。这表明它们可能源自星系中心超大质量黑洞周围的过热物质。然而,随着天文台积累更多的数据,这种联系减弱了。

正如可能存在“我的上帝”粒子热点的想法似乎已经被抛弃一样,日本在犹他州领导的一个小规模实验发现了北半球的一个新热点。然而,由于测试每年只能找到两到三个这样的事件,可能需要一些时间来找到答案。为了加快速度,合作小组计划将望远镜阵列扩大近四倍,覆盖面积约2500平方公里。这个项目预计需要3年才能完成。

“大G”常数的永恒波动

重力的强度是多少?令人惊讶的是,物理学家仍然无法就“大重力”常数的值达成一致。它在1687年的牛顿万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论中占有重要地位。不同的实验技术发现了截然相反的数值。基于量子物理的实验的增加似乎使这种差异更加严重。

一项旨在将世界各地的实验室聚集在一起寻找解决方案的行动正在进行中。然而,美国国家科学基金会(NSF)原子、分子和光学实验物理项目负责人约翰吉尔拉斯比(John Gillaspy)认为,此时需要新的想法。明年,国家科学基金会将资助一次头脑风暴会议。那时,来自不同物理学分支的研究人员将花一周时间试图想出解决这一差异的策略。

这种差异可能不是指测量,而是指全新的东西。一些物理学家认为不同的技术会产生不同的结果,因为与重力本身相关的物理学需要修正。如果是这样,这种“僵尸”可能是一种伪装的美丽的新生命形式。

(宗华)

《中国科学报》 (2015-11-09第三版国际)

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