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探索极小和极大的世界

2019-11-29 23:54| 发布者: | 查看: 25| 评论: 0

摘要:   撰文:Robin Smith(谢菲尔德哈莱姆大学物理学讲师)  19 世纪末,一些物理学家认为,大多数重要的基本理论已经被牢固地建立起来了。那时的他们根本无法想象在接下来的一个世纪里,物理学会发生怎样天翻地覆的 ...

  撰文:Robin Smith(谢菲尔德哈莱姆大学物理学讲师)

  19 世纪末,一些物理学家认为,大多数重要的基本理论已经被牢固地建立起来了。那时的他们根本无法想象在接下来的一个世纪里,物理学会发生怎样天翻地覆的改变。理论和实验的齐头并进,彻底地改变了我们对宇宙,以及我们在宇宙中的位置的理解。

  而在未来的几十年内,我们并不会停止发现的脚步,新的技术将帮助我们进一步揭开宇宙的层层面纱。

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  在众多难题中,我们最关心的谜题之一便是:我们为什么会存在?

  物理学家预测,宇宙大爆炸应该产生了同样多的物质和反物质。但正如我们今天所看到的,从微小尘埃到巨大的星系,宇宙中的每一个结构都是由物质组成的。那么反物质都到哪里去了呢?


当物质和反物质相遇时,就会湮灭,以光子的形式释放出能量。 图片来源:RealLifeLore/YouTube

  大型强子对撞机(LHC)为这个问题提供了一些线索。在对撞机中,大量的质子会被加速到不可思议的速度,当质子与质子迎头撞上时,会产生重的物质粒子和反物质粒子,这些重粒子会衰变成更轻的粒子。

  LHC 的对撞结果显示,物质和反物质的衰变率略有不同。这种不同可以部分解释物质与反物质之间的不对称性。

  但是,与物理学家们所习惯的精度相比,LHC 就像是在用网球拍打乒乓球。由于质子并不是基本粒子,而是由更小的夸克和胶子组成的,因此当它们对撞时,它们内部的这些结构会被喷得到处都是,这大大增加了在对撞碎片中发现新粒子的难度,使得精确测量它们的性质变得更加困难,从而很难进一步提供有关反物质消失的线索。

  未来环形对撞机(FCC)是下一代对撞机中最具代表性的。FCC 的选址与 LHC 一样,依然在日内瓦,科学家计划在地底下建造一条长为 100 公里的环形隧道。届时,一旁的 LHC 将会像高速公路上的交流道那样,将加速过的粒子送入这个能量更强的新对撞机中。不同于之前的质子对撞,FCC 第一阶段的设想是将电子与其反粒子——正电子——撞在一起。


LHC 和 FCC 的大小比较。图片来源:CERN

  与质子不同的是,电子和正电子是不可分割的,所以我们可以确切地知道对撞的是什么。此外,还将能够改变两者碰撞时的能量,从而产生特定的反物质粒子,并更精确地测量它们的特性——尤其是它们衰变的方式。

  这些研究将有望揭示全新的物理学。一种可能性是,反物质的消失可能与暗物质的存在有关。天文观测表明,暗物质占据宇宙质量的 85%,但目前所有的实验都没有发现它的踪迹。反物质的丧失和暗物质的普遍存在可能要归功于大爆炸期间的条件,所以这些实验或将提供关于我们为何会存在的重要线索。

  我们无法预测未来对撞机实验中的新发现将会如何改变我们的生活。但上一次当我们用更强大的放大镜去观察世界时,我们的发现为今天的计算、医学和能源生产领域带来的革新。

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  同样地,在宇宙尺度上也还有很多的东西有待发现。一个尤为古老的终极大问题是:我们在宇宙中是否是孤独的。尽管最近科学家在火星上发现了液态水,但我们并没有任何能证明微生物存在的确凿证据。即使发现了证据,星球上恶劣的环境意味着它正处于极度原始的状态。

  到目前为止,在系外行星上寻找生命的工作还没有取得成果。但即将于 2021 年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)将彻底改变我们探测宜居系外行星的方式。


JSWT。

  过去,望远镜会测量当行星从恒星前面经过时导致的星光亮度下降,与之不同的是,JWST 将使用一种名为日冕仪的仪器来阻挡星光进入望远镜。这和用手阻挡阳光进入眼睛的原理是一样的。这项技术能使望远镜可以直接观测那些在通常情况下,其光芒会被恒星的强光所淹没的行星。

  JWST 不仅能够探测到新的行星,而且还能够确定它们是否能够支持生命。当恒星发出的光穿过行星的大气层时,特定波长的光会被吸收,在反射光谱中留下独特的印记。就像条形码一样,这些印记可以告诉我们关于构成地球大气的原子和分子的信息。

  JWST 将能够读取这些“条形码”,以此来探测一颗行星的大气是否具备生命存在的必要条件。在接下来的 50 年里,我们可以为未来的星际空间任务设定目标——去确定在那里都有怎样的生命存在。

  在离地球更近的地方,木星的卫星——木卫二——被认为是太阳系中很可能孕育生命的地方。尽管它的温度很低(- 220°C),但它所绕行的超大质量行星所提供的引力,或许能使水在其表面下充分流动,阻止了冻结,从而使它成为微生物甚至水生生物的潜在家园。

  一项名为“木卫二快船”的新任务将于 2025 年发射,它将确认那里是否存在地下海洋,并为后续任务寻找合适的着陆点。它还将观测从这颗行星的冰表面喷出的液态水喷流,看其中是否存在有机分子。

  无论是构成万物的基本粒子,还是浩瀚的空间,宇宙仍然隐藏着许多与它的运作方式,以及我们在其中的位置有关的奥秘。它不会轻易地透露自己的秘密——但在 50 年后,宇宙很可能会呈现出完全不同的面貌。

 


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