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你知道物理学中的五个绝妙理论吗?

【博科园-科学科普】很多人抱怨科学太单一了,自己是“群体思维”的受害者,而那些想出新点子的人通常被贴上“疯子”的标签。但是正如新颖的想法和理论被重视一样,创造力并不总是等同于正确的。尤其是物理学的历史充斥着智慧、创造性、开箱即用是完全错误的思想。从“大爆炸理论”替代“稳态理论,甚至”如“标准模型”替代“Sakata模型”,替代思想对于将实际的宇宙与预测和期望进行比较是很重要的。

今天观察到的膨胀宇宙充满了星系和复杂的结构,从一个更小、更热、更密集、更均匀的状态产生。《稳态理论》由于大量的观测证据而“失宠”(被大爆炸理论所替代),但这些坚定的追随者从未改变过他们的想法,直到他们死的那刻也未曾改变。图片:C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

马克斯·普朗克(Max Planck):一个新的科学真理并不是通过说服对手,让他们看到光明而取得胜利,而是因为它的对手最终会消亡,而新一代的人则是熟悉它的。这里有5个关于新物理的绝妙想法,自20世纪80年代以来一直很受欢迎,至今仍很受欢迎。

TOP1、质子衰变

超级神冈的装满水的水箱,为质子的寿命进行了精确的测量。

标准模型将电磁力与弱核力统媒介促使了wz - z玻色子的发现。如果强大的核力与电弱相结合会发生什么?对于第一个伟大的统一理论有许多结果,其中一个是令人惊讶和引人注目的是一个新的超重玻色子将会存在,它将介导质子的衰变。预期寿命约为10 ^ 30年,实验收集10 ^ 30个质子(水)的形式建立一个探测器周围,并等待衰变的特征。虽然这个实验装置被证明是一个伟大的中微子探测器,但它并没有看到一个质子衰变。现在科学家们确定了质子寿命大于10 ^ 35年,根据目前所观测没有理由认为质子会衰变。

TOP2、修正引力

观察到的曲线(黑点)和总正常物质(蓝色曲线)以及恒星和气体的各种成分,这些都有助于星系的旋转曲线。修正的引力和暗物质都可以解释这些旋转曲线。图片:The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies, Stacy McGaugh, Federico Lelli and Jim Schombert, 2016

当观察旋转的星系时很快就会发现旋转的速度与所能看到的物质的数量不匹配。这不仅适用于恒星,也适用于气体、尘埃、等离子体和黑洞。可以考虑添加一种新的质量形式,(暗物质)为了弥补这个差异,或者可以试着通过修改万有引力定律。这两种方法都能给单个星系带来合理的解释。

但同时也得到其他一些问题:

1、大规模的结构形成

2、宇宙微波背景下的波动

3、星系群内单个星系的运动

4、引力透镜的数量和形状

5、合并星系团的引力作用

以sachs - wolfe和整合的sachs - wolfe效应,以及暗物质与正常物质(从单个恒星的运动中推断出的)在不同尺度/大小的星系中所占的比例。当添加暗物质参数时都会匹配,但当修改引力时能解决一个问题,却不能解决其他问题,在过去的35年里修改完善引力的导致许多问题的产生,所有这些都不能观察到的相符。

TOP3、超对称

标准模型粒子和它们的超对称粒子。在弦理论中,这种粒子的光谱是统一四种基本力的必然结果。图片:Claire David

为什么在普朗克尺度(10^19 GeV)和我们已知的粒子质量(峰值 10^2 GeV)之间存在如此大的差异?解决这个问题的一个想法是超对称,它假定每一个标准模型粒子,都应该有一个超级伙伴粒子来保护这个质量。虽然有许多优雅的理由支持超对称性,但事实是这些粒子应该存在于与质量最高的标准模型粒子相同的质量中。随着大型强子对撞机的出现,已经确定如果这些粒子存在,会比标准模型粒子重很多倍,以至于它不再能解决质量差问题。作为一种解释这种等级问题的理论,超对称已经完全消失了。

TOP4、颜色

红色-绿色-蓝色的混合类似于QCD的动力学,图片:Wikipedia user Bb3cxv

希格斯粒子给宇宙中的粒子提供了静止质量,但如果没有希格斯粒子呢?还有另一种得到质量的方法吗? 了解另一种机制来给粒子质量,但从理论上讲应该在没有看到的电弱尺度上产生了新的物理现象,也不应该改变中性电流(某种类型的粒子衰变)。但是关于希格斯玻色子存在的实验证实,呈现出了“彩色粒子”的概念,然而工作仍在继续这个不可信的想法。

TOP5、基于wimp的暗物质

对WIMP暗物质的确定是相当重要的,实验上的最低的曲线排除了WIMP(弱相互作用大粒子)的横截面和暗物质质量。图片版权:Xenon-100 Collaboration (2012), arxiv

这是一个真正有争议的问题,因为暗物质存在的证据是压倒性的。它必须以某种方式被创造出来,并且在标准模型上有大量的扩展,它们产生的粒子是巨大的,中性的并且不会通过电磁或强大的核力相互作用。在宇宙的某个地方应该有一种粒子(或一组粒子)对宇宙中缺失的物质——暗物质。间接的天体物理学证据是压倒性的。但由于某些原因,绝大多数直接检测工作都集中在一个特定狭窄的模型上,在特定质量范围内的弱相互作用的大粒子上:约10^2 -10^3 GeV。基于WIMP的暗物质的原始能量即所谓的WIMP奇迹,已经被证明是不可靠的,在寻找其他形式的暗物质的过程中已经有很长的一段时间了。

低温电磁谐振腔被插入到腔室中,就像ADMX所使用的那样,Axions是一种微弱的暗物质。图片版权:Axion Dark Matter Experiment (ADMX), LLNL’s flickr

事实是一个新的科学理论所能做的最好的事情就是预测在这个宇宙中所能看到的东西。当去寻找它的时候应该是答案所在。如果不是或者在某个地方犯了错又或者应该是放弃的理论。可以小一点的改变理论参数的策略,坚持认为关键的发现是不可能的,实验可能也是永无止境的,除非有一个新的理由对这些想法产生共鸣,比如新数据,新理论或者是之前发现的错误,继续在这些地方寻找新的物理学!

作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

来自:Forbes science

编译:光量子

审校:博科园

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