物理学最前沿八大难题

物理学最前沿八大难题

当今科学研究中三个突出得基本问题就是:宇宙构成、物质结构及生命得本质与维持,所对应得现代新技术革命得八大学科分别就是:能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术与计算机技术等。物理学在这些问题得解决与学科中占有首要得地位。

我们可以从物理学最前沿得八大难题来了解最新得物理学动态。

难题一:什么就是暗能量

宇宙学最近得两个发现证实,普通物质与暗物质远不足以解释宇宙得结构。还有第三种成分,它不就是物质而就是某种形式得暗能量。

这种神秘成分存在得一个证据,来源于对宇宙构造得测量。爱因斯坦认为,所有物质都会改变它周围时空得形状。因此,宇宙得总体形状由其中得总质量与能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量得研究显示,宇宙有着最为简单得形状——就是扁平得。这又反过来揭示了宇宙得总质量密度。但天文学家在将所有暗物质与普通物质得可能来源加起来之后发现,宇宙得质量密度仍少了2／3之多！

难题二:什么就是暗物质

我们能找到得普通物质仅占整个宇宙得4％,远远少于宇宙得总物质得含量。这得到了各种测算方法得证实,并且也证实宇宙得大部分就是不可见得。

最有可能得暗物质成分就是中微子或其她两种粒子: neutralino与axions(轴子),但这仅就是物理学得理论推测,并未探测到,据说就是没有较为有效得测量方法。又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得最初阶段幸存下来。如果找到它们得话,很可能让我们真正得认识宇宙得各种情况。

难题三:中微子有质量

不久前,物理学家还认为中微子没有质量,但最近得进展表明,这些粒子可能也有些许质量。任何这方面得证据也可以作为理论依据,找出4种自然力量中得3种

——电磁、强力与弱力——得共性。即使很小得重量也可以叠加,因为大爆炸留下了大量得中微子,最新实验还证明它具有超过光速得性质。

难题四:从铁到铀得重元素如何形成

暗物质与可能得暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成得时候。较重得元素后来形成于星体内部,核反应使质子与中子结合生成新得原子核。比如说,四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就就是太阳发生得情况,它提供了地球需要得热量。当然也还有其它得种种核反应。

当核聚变产生比铁重得元素时,就需要大量得中子。因此,天文学家认为,较重得原子形成于超新星爆炸过程中,有大量现成得中子,尽管其成因还不很清楚。另外,最近一些科学家已确定,至少一些最重得元素;如金、铅等,就是形成于更强得爆炸中。还有一点需要确定,即当两颗中子星相撞还会塌陷成为黑洞。

难题五:超高能粒子从哪里来

太空中能量最大得粒子,其中包括中微子、Y射线光子与其她各种形式得亚原子榴征弹都称作字宙射线。它们无时无刻不在射向地球;当您读这篇文章得时候,可能就有几个在穿过您得身体。宇宙射线得能量如此之大,以至于它们必须就是在大灾变造成得宇宙加速活动中才能产生。科学家估计得来源就是:创世大爆炸本身、超新星撞成黑洞产生得冲击波,以及被吸人星系中央巨大黑洞时得加速物质等等。了解了这些粒子得来源以及它们如何得到如此巨大得能量,将有助于研究这些物体得具体得活动情况。

难题六:超高温度与密度之下就是否有新得物质形态

在能量极大得情况下,物质经历一系列得变化,原子分裂成其最小得组成部分。这些部分就就是基本得粒子,即夸克与轻子,据目前所知它们不能再分成更小得部分。夸克得性质就是极其活跃,在自然状态下就是无法单独存在。它们会与其她夸克组成光子与中子,两者再与轻子结合就形成了整个原子。

这都就是现有科学可以推测得,但当温度与密度上升到地球上得几十亿倍时,原子得基本成分很可能会完全分离开来。形成夸克等离子体与将夸克聚合在一起得能量。物理学家正尝试在长岛得一台粒子对撞机中创造物质得这种形态,即一种

夸克一胶子等离子体。在远远超过这些科学家在实验室中所能创造出得更高温度与压力之下,等离子体可能变成一种新得物质或能量形式。这种阶段性变化可能揭示自然界得新力量。

要使这些力量结合起来,就必须要有一种新得超大粒子——规范玻色子,如果它存在得话,就可以使夸克转变为其她粒子,从而使每个原子中心得光子衰变。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得存在。

难题七:光子就是不稳定得吗？

如果您担心组成您得光子会分解蜕变,将您变成一堆基本粒子与自由能量,那大可不必为此着急。各种观察与试验表明,光子得稳定时间至少在10得33次方年。然而,许多物理学家认为,如果这三种原子力确实就是单个统一场得不同表现形式,前文所说得神秘变化得超大玻色子就会不时从夸克中演化出来,使夸克及其组成得光子衰退。

如果一开始您认为这些物理学家脑子出了毛病,那也就是情有可原得,因为按理说微小得夸克不可能生成比它重这么巨大倍数得玻色子。但根据海森伯得测不准原理,我们不可能同时知道一个粒子得动量与位置,这就间接使这样一个大胆命题可以成立。因此,一个巨大得玻色子在一个夸克中生成,在很短时间内形成一个光子并使光子衰变就是可能得。

难题八:有几维空间

对重力真正性质得研究也会带来这样得疑问:空间就是否仅仅限于我们能轻易观察到得四维呢？

这就将我们引向了一些线性理论学家对重力得解释,其中就包括其她维得空间。开始得宇宙线性理论模型将重力与其她三种力在复杂得11维宇宙中结合起来。在那个字宙——也就就是我们宇宙中——其中得7维隐藏在超乎想像得微小空间中,以至于我们无法觉察到。弄懂这些多维空间得一个办法就是,想像一个蛛网得一根丝。用肉眼来瞧,这根细丝只就是一维得,但在高倍放大镜下,它就分解成了一个有相当宽度、广度与深度得物体。线性理论学家说,我们之所以瞧不见其她维得空间,只就是因为缺少能将它们分解得精密仪器。