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有哪些已发现且实锤的物理现象,是无法解释的?

1900 年,开尔文勋爵在英国皇家研究所做了一次演讲,演讲中开尔文提到了,物理学大厦的上空飘着两朵乌云。在这之后的几十年里,正是通过对这两朵乌云的研究,得到了二十世纪最伟大的两个理论——量子力学和相对论。而在二十一世纪初的现在,我们可以自豪的说:

物理学大厦之上的天空,飘满了乌云

1、正反物质不对称之谜

任何一种粒子都有其对应的反粒子,正反粒子的性质是相反的,但是质量相同,比如电子的反粒子就是正电子。

最先提出“反物质”的是狄拉克,他提出了描述电子的狄拉克方程,他通过解狄拉克方程发现,每一种粒子都必定存在其对应的反粒子,反粒子和粒子的质量完全相同,但是电荷等属性完全相反。

1932 年,安德森发现了正电子。从 1930 年起安德森负责用云室观测宇宙射线。安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线。他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场,并快速拍下粒子径迹的照片,然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。1932 年 8 月 2 日,安德森在照片中发现一条奇特的径迹,这条径迹和负电子有同样的偏转度,却又具相反的方向,显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断,又不可能是质子。于是他果断地得出结论,这是带正电的电子。狄拉克预言的正电子就这样被安德森发现了。

正反物质相遇会发生湮灭反应,在这个过程中会发释放出高能光子。单纯的从 Dirac 方程来看,物质和反物质的地位是完全等价的,不存在谁比谁更优先,两者是互为反物质,也就是说,物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的。如果我们假设宇宙大爆炸时正反物质数量是相等的,那么现在的正反物质数量也应该是相等。

宇宙中的物质和反物质的不对称主要体现为正反重子的不对称,这是因为当今宇宙中的普通物质的能量主要集中在重子部分。但是天文观测数据却显示,在可观测的宇宙范围内,二者严重失衡,只发现了正物质,没有反物质。假设宇宙中有反物质存在的区域,那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭,产生很强的伽马射线,但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线。在高能宇宙线中观测到的反物质比如反质子是宇宙线传播过程中发生碰撞而产生的次级粒子, 并不是来自于宇宙深处的原初反物质其它的观测也给出了相同的结果。

到目前为止,提出了很多理论解释宇宙正反物质不对称,但是还没有任何一个理论能完美的解决这个问题。

2、暗物质之谜

宇宙中的星系一般都是有自转的,星系中的天体绕着星系中心旋转。根据牛顿理论以及观测到的星系物质分布,可以得到星系中天体绕着星系中心旋转速度与到星系中心距离的关系,定性来说,就是随着距离的增加,旋转速度先增加后降低:

然后对很多星系的观测发现,实际结果与理论预测结果并不相同:在距离较小时,旋转速度随着距离的增加而增加;但是距离较大时,旋转速度不再随着距离增大而变化。

实际上,根据观测,暗物质在宇宙中的含量是可见物质的五倍多,

虽然人们已经对暗物质作了许多天文观测,其组成成分至今仍未能全然了解。暗物质不参与电磁相互作用,因为无法通过光学手段或者电磁观测到;也不会参与强相互作用。暗物质应该会参与弱相互作用,因此与我们周围物质的相互作用极弱,或许暗物质就在我们周围,但是很难被观测到。

现在世界上也运行着一些仪器对暗物质就行探测,比如中国于 2015 发射的暗物质粒子探测卫星“悟空号”,2017 年 11 月 30 日中科院发布,悟空号发现可能是暗物质存在的证据。

丁肇中目前主导的 AMS 项目,就是一个安装于国际空间站上的粒子物理试验设备,其关键目标就是寻找暗物质粒子。

3、中微子质量问题

中微子是奥地利物理学家沃尔夫冈·鲍利于 1930 年,为了解释β衰变中能量、动量以及自旋角动量守恒而提出的。中微子是电中性粒子。1942 年,王淦昌首次提出利用电子俘获来在实验中观测中微子。在 1956 年 7 月 20 日发行的《科学》杂志中,克莱德·科温、弗雷德里克·莱因斯等人发表了他们对于中微子的观测结果。而在这一结果发表近 40 年后,莱因斯才因为发现中微子而获得了 1995 年的诺贝尔物理学奖。

中微子是标准模型中的基本粒子,一共有三种,它们都只参与弱相互作用,而弱相互作用在标准模型中扮演着非常特殊的角色。弱相互作用破坏宇称守恒定律,也就是它对于空间反演变换是不对称的。中微子是费米子,而费米子可以按照手性分为左手性和右手性,它们在弱相互作用中的参与方式是不同的。然而,实验结果显示,中微子只有左手性的,没有右手性的。因此,在标准模型中,只有左手中微子而没有右手中微子。但是不存在右手中微子的严重后果就是中微子无法产生质量!也就是说,标准模型理论中的中微子是没有质量的粒子。

然而,在对中微子观测的实验中,人们发现了“中微子振荡”现象。那么什么是中微子振荡呢?简单的说,中微子一共有三种,在一次反应中产生了大量的特定的中微子,但是在远处对这种中微子进行观测的时候,却只观测到了 1/3 的此中微子,另外的 2/3 变成了另外的两种中微子。而中微子振荡现象要求中微子有质量!

因此,理论与实验产生了矛盾。日本科学家梶田隆章以及加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳两人由于发现了中微子振荡现象存在的证明,并取得中微子质量数据,因此获得了 2015 年诺贝尔物理学奖。中微子振荡是目前唯一直接超出标准模型的实验结果。为了产生微小的中微子质量,我们必须超越粒子物理学标准模型,引入新的基本粒子或者对称性。但是目前为止,新引入的粒子或者对称性还没有被观测到。

4、夸克禁闭之谜

夸克是标准模型中的粒子,夸克之间通过强相互作用构成复合粒子,比如,质子是由两个上夸克和一个下夸克构成,中子是由一个上夸克和两个下夸克构成。这样的复合粒子叫做重子。夸克也可以和一个反夸克构成粒子,这样的粒子称为介子。介子和重子统称为强子。

虽然夸克可以三三两两的构成复合粒子,但是夸克却无法单独存在。考虑把一个介子中的两个夸克分开:

在这个过程中,需要给系统输入能量。这个可以用引力说明:把地球上的物体和地球分开,需要给这个物体输入能量,比如用火箭,才能把它发射出去。然而对于介子中的夸克,实际发生的情况是,当介子中的两个夸克被扯断时,给系统输入的能量足够能从真空中再激发两个新的夸克,这两个新的夸克会和被分离的两个夸克分别结合,最终就是由一个介子变为两个介子。还是没有单独的夸克被分离出来。

上面是定性的解释,要想真正的理解这个过程,要从描述强相互作用的理论——量子色动力学——出发。夸克之间的相互作用的强度可以用一个参数来表示,

越大,相互作用越强,反之则越小。研究发现,

会随着能量的变化而变化,实际上,会随着能量的增加而降低,如下图所示

也就是能量越高,夸克之间的相互作用越弱。但是遗憾的是,这个理论非常复杂,尤其是在低能量下,我们还做不到对这个理论进行严格求解,而上述的结果是就只是系统在高能下的行为。因此,目前还无法通过量子色动力学直接得到夸克禁闭。但是,通过研究高能下量子色动力学的行为,我们发现了夸克物质在高能下的一个行为,渐进自由,这个现象给出了一个可能解决夸克禁闭问题的可能。

5、中子寿命之谜

前面提到了,中子是强子,由两个下夸克和一个上夸克构成。自由的中子可以通过弱相互作用发生衰变,变成质子,同时释放一个电子和中微子,

既然中子可以衰变,就有寿命。而对于中子寿命的测量,目前有两种办法:第一种是把很多中子放到瓶子里,经过一段时间后再数一下瓶子中还剩多少中子,用这种方法测得中子寿命为 14 分 39 秒;第二种是产生一束中子束,然后统计其中生成的质子数,得到的中子寿命为 14 分 48 秒。

理论上说,中子寿命不应该依赖测量方法,然而这两种不同的测量方法给出的中子寿命竟然有 9 秒的不同。要解释这样的不同,有两个思路:第一个,两种方法有一种是有错误的,为了检验这种可能,就需要把两种不同的测量方法同时放在一个设备中进行试验;第二个,就是中子的衰变没有我们想象的那么简单,中子不仅可以衰变成质子,甚至有可能衰变成不可见的暗物质!

但是,具体什么原因,目前为止还没有明确的答案。中子的寿命具体是多少,我们还不知道。

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