皮皮小说网

10 全新的创世纪（第2页）

我们所知道的关于这个未知实体的一切，就是它在整个空间中有一个常数值。一个很小但非零的值。事实上，最令人惊讶的不是暗能量的存在，而是它的值如此之小。如果你根据已知的量子涨落机制计算真空中应该包含的能量，你会得到一个与测量值完全不同的能量密度数量级：一个巨大的数量。它被定义为“真空的灾难”，用来表示物理学历史上理论预测的最糟糕的弱点。

有些人认为存在一种抵消机制，因为其他粒子，比如超对称性粒子，会给总能量带来负的贡献，并通过几乎完全的减法，导致这个神奇的数字，如此接近于零。其他人则提出，解决方案可能来自希格斯玻色子本身。

希格斯场有一个特定的值，在整个空间中都是常数，它对应一个零势能，正因为这个原因，任何两点之间的势能差都是零。这就解释了为什么严格地说，希格斯场不能贡献暗能量：标量场的能量密度为零。另外，如果希格斯场有一个值，略高于或低于那个神奇的值，那个神奇的值使势能处处为零，能量就会到处分布。但是，如果除了希格斯粒子之外，我们考虑一个新的、非常小的标量场，而玻色子与之耦合，那么这个微小的差异就可以用来解释暗能量。这个有趣的假设仍然不能解释我们之前谈到的巨大差异，但它为我们提供了一个暗示性的场景。通过希格斯粒子，我们将了解现代物理学中最有趣的奥秘之一。

总之，虽然许多科学家对尚未发现新物理的直接证据感到失望，但有人开始怀疑：如果我们已经发现了新物理学呢？

希格斯玻色子这种非常特殊的粒子，不是已经存在了吗？新玻色子确实是一种非常奇怪的粒子。太奇怪了，它甚至会和自己互动。能想象到的最简单的粒子实际上也是最难理解的粒子。那么，单独的，这个没有电荷、没有旋转的东西，从这两个大家族中所有其他的粒子中分离出来，有什么用呢？这个奢侈的角色在宇宙悲剧中扮演了什么角色，他既与形成物质的蒙太古家族说话，又与负责相互作用的凯普莱特家族交谈？如果它是整个标量家族中的第一个粒子，与标准模型不一致呢？试想一下，几十年后人们会笑着谈论我们：“本世纪初的这些科学家多么奇怪：他们发现了新的物理学，却没有注意到它。他们在别处寻找他们眼前所拥有的东西。”

新的巨大挑战

随着希格斯玻色子的发现，我们来到了物理学的一个决定性转折点。其中的核心是一些基本问题：基本粒子的起源；产生我们物质宇宙的机制；时空、物质和暗能量的结构。

在这些问题上，我们有必要设想使用加速器但不限于加速器的新一代实验。在尺度的另一端，对最微小基本粒子的研究，必须再一次伴随着对伟大宇宙结构的更深层次理解。新粒子的发现可能会解开宇宙的一些奥秘，相反，从天体物理观测中可能会获得关于无限小粒子的新信息。这两条知识之路前所未有，它们相互补充，相得益彰。

可以观察到的最巨大物体—最遥远的星系、大型星团和宇宙辐射背景—是新一代超望远镜（在陆地或卫星发射大型设备）的研究领域，他们探索宇宙中最大规模和最遥远的物体。新的仪器正在进行更深入的研究，试图识别所有可能的信号。每天都有越来越多的、详细的宇宙地图被绘制出来，不仅使用传统的光信号，还使用各种频率的无线电波、X射线和伽马射线，还有中微子和宇宙射线。

感谢新技术，传统的光学望远镜探索将继续产生伟大的结果，它可以让你集中来自最遥远星系的微弱光线。到目前为止，已经有可能制造出直径超过10m的巨型反射镜，由几十个次级镜组成，这些次级镜通过计算机精确的移动来校准，从而将微弱的信号集中到焦点上。人们已经开发出了对可见频率和同样有趣的红外、紫外频率都极为敏感的新传感器。最后，为了消除与大气有关的干扰和光污染，甚至在地球上最荒凉的沙漠中也存在这种现象，他们计划向太空发射新一代望远镜，即哈勃望远镜的继承者，在超过25年的时间里，它在距离地球550km的轨道上运行，并继续向我们发送一些最美丽的星系图像，这些图像装饰着天穹的每个角落。

巨大的射电望远镜继续记录着脉冲星、以惊人速度旋转的中子星以及活动星系核发出的最微弱的无线电波。活动星系核是指整个星系正在被超大质量黑洞吞噬，所有物质围绕黑洞旋转。到达我们的微小信号告诉我们，宇宙中发生巨大灾难的整个区域里，混乱的环境和可怕的现象，与我们生活的世界的安静角落如此不同。也许正是由于对这些遥远灾难的理解，我们对宇宙的描绘才会变得更加完整和精确。

由于陆地上和其他发送到卫星或空间站的探测器正在超越人们的视线，X射线和伽马射线频率重建了宇宙地图。为了确定宇宙射线的起源，特别是那些来自最深空间的可怕能量，在青藏高原的整个山谷安装了探测器，建起覆盖阿根廷潘帕斯草原3000km2的仪器。为了揭示来自太阳和超新星等现象的中微子，有人潜入最深的矿井，还有人将巨大的光传感器串投入西西里岛帕萨利角附近的抹香鲸保护区数百米深的海底，还有一些人在南极洲1km3的冰层上安装探测器。

在任何时候，特种知识部队都在工作，即使在地球上最荒凉的地方。

整个世界都参与了暗物质的探索，所有伟大的谜团中最神秘的一个，今天看来，似乎触手可及。用加速器进行的研究，还不足以覆盖这种奇怪物质可能隐藏的所有形式。我们在这里装备了超灵敏的仪器，试图识别这些粒子与普通物质相互作用的信号。这些事件非常罕见，能量释放非常小，人们为此开发了低温探测器，它在非常接近绝对零度的温度下工作。人们试图记录暗物质粒子与锗等超纯晶体原子碰撞时产生的微小热量。因此，我们努力发明新的晶体生长技术，以获得无限小的杂质水平。或者我们寻找这些粒子与稀有**、气体（如氙或氩）的原子碰撞时产生的微小闪光。然后物理学家囤积这些气体，将其液化，发明新的蒸馏方法，将其纯度提高到极限。必须对敏感材料进行净化，使其不受任何形式的污染，以防止由于某些杂质而造成的残余放射性衰变掩盖信号。最后，为了尽量减少宇宙射线撞击地球所产生的混乱，这些设备被安装在废弃的矿井或地下实验室里，这些实验室被遍布北美、欧洲和中国的绵延数千米的岩石保护。

为了寻找间接信号，人们千方百计地向太空发射其他仪器。在离地球几百千米远的高空，更容易识别稀有粒子的异常产物，比如正电子，它可以发出暗物质粒子相互湮灭的信号。

在未来的几十年里，通过结合加速器、地下实验室和卫星上的直接和间接研究，暗物质将越来越难在我们的观测中隐藏起来。很容易设想，在21世纪中叶之前，会有人为这个自然界最有趣的谜团之一找到一个令人信服的解释。

一些处理暗能量的新项目已经启动。其中最有趣的一项是暗能量调查，它在几年前就开始收集数据。这个实验的核心是一个大面积的全新数码相机，再加上一个功能强大的光学望远镜，可以让你看到无数的遥远星系，并记录它们的运动。这个新的5。7亿像素相机由几十个对红色频率敏感的特殊传感器组合而成，红色频率对于观察最遥远的星系是最重要的。为了减少图像重建中的干扰，摄像机在－100?C的真空中工作，并使用创新的图像重建和降噪系统。它被安装在一个直径4m的望远镜的焦点上，这个望远镜安装在智利圣地亚哥以北460km的塞罗托洛洛，海拔2200m。望远镜不时地利用安第斯山脉理想的光学条件进行观测。然后，用一小部分天空重建成千上万个星系的图像。在5年的观测中，我们想要研究3亿个离我们数十亿光年远的星系。精确测量暗能量的时代已经开始了。

揭开遥远灾难的秘密

最后，所有挑战之母，是最容易理解也最难以捉摸的交互作用—引力。在伽利略和牛顿之后的几个世纪里，一代又一代的物理学家仍在思考最常见的力以及它在宇宙诞生之初所扮演的角色。到目前为止，在现实中，引力已经逃脱了所有将其简化为其他力的尝试：相互作用的量子，即引力子，仍然是一个神秘的粒子，没有人能够记录引力波或产生一个令人信服的引力量子理论。但进步是巨大的，伟大的发现可能就在眼前。

直接探测引力波的实验现在已经达到了相当成熟的水平，特别是自从大型干涉仪进入这一领域以来。引力波是广义相对论所预言的时空的微妙涟漪，但它们是如此微弱，以至于迄今为止所有试图揭示它们的努力都未能成功。通过对双星系统中脉冲星轨道收缩的观测，我们获得了引力波发射的间接证据。脉冲星是一种非常紧凑的天体，其半径约为10km，质量甚至可以是太阳的两倍。它们是高度磁化的恒星，以令人难以置信的速度自转，并向Poli发射电磁辐射脉冲[Poli因此得名，即“脉冲无线电之星”（PulsatingRadioStar）的缩写]。当两颗中子星形成一个双星系统时，它们都在围绕系统质心的椭圆轨道上自旋，在这种情况下，广义相对论预测它们轨道能量的一部分会以引力波的形式释放出来。因此，较低的能量对应随着时间收缩的轨道。这是拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒观测到的结果，这两位天文学家利用位于波多黎各的巨大Arecibo射电望远镜工作，他们详细研究了脉冲星B1913+16的情况。由于这一发现，他们于1993年获得了诺贝尔奖。

从那时起，寻找引力波的直接探测已经成为一个优先事项，吸引了数百名科学家的兴趣和大型研究机构的注意。调动的资源使我们能够安装以巨大干涉仪为基础的现代基础设施。

这些装置的工作原理很简单：激光束被分成两束，并向垂直方向发射。两束光在最深的真空中传播几千米，然后被特殊的镜子反射回来，再次相遇。光束的交叉产生的干涉现象取决于光路中最小的差异。如果引力波通过，时空的扭曲就会拉长其中一束光，缩短另一束光，这样微小的差异就会产生信号。

用于寻找引力波的工具，是人类所能设计出的最精致的工具之一。目前，他们能够检测到两束光的光程差为10~19m，是质子大小的万分之一。如此高的灵敏度，是有望收集与电波通过相关信号所必需的。

这种能产生显著引力波的现象发生在离地球非常远的地方。如果我们用电磁辐射来类比，辐射引力波，它需要一个引力波电荷，也就是一个加速的质量。但是重力的弱点是这样的：只有当巨大的质量获得巨大的加速度时，才能产生足够强大的引力波，以便在地球上安装的实验中留下一些信号。它涉及寻找灾难性的现象，比如超新星爆炸，两颗中子星合并形成黑洞的双星系统，或者两个特大质量黑洞合并。该理论预测，在这些现象的最后阶段会发射出大功率的引力波，但其强度会随着距离的增加而迅速减小。如果天体的距离不超过1亿光年，发射的电磁波，无论衰减多少，仍能产生可被地球干涉仪检测到的信号。仪器的灵敏度越高，监测的范围就越大，也就是说，可以观测到的星系的数量也就越大，探测到这些事件并大喊“发现了！”

提高灵敏度意味着与干扰做斗争。由于无数的现象，镜子之间的距离不断变化，而这些现象必须得到控制。镜子悬挂在固定在地面的设备上，无论采取多少预防措施，地球上最小的地震活动都会影响镜子的位置。复杂的衰减系统试图消除所有来自地面和空气的干扰：几英里外的卡车或飞机、使树叶沙沙作响的风、拍打岩石的海浪或河流的流动。然后就有必要考虑镜子本身的布朗运动，以及照亮它们的激光器发射的光子数量的量子涨落等等。需要成千上万的技巧来消除所有这些干扰，使它有可能感知与波的通过有关的非常细微的耳语。好像你正在寻找完全的寂静一样，能够聆听黑洞发出的远距离回声，该黑洞吞噬了距离我们5000万光年的十个太阳质量的红色巨人，或者听到两个黑洞合并发出的鸣叫，在它们恐怖之舞的最后阶段以一种突发性的方式互相旋转。

为了消除干扰并提高灵敏度，人们建造了更多的仪器，并将它们放置在一起。知道了干涉仪之间的距离，就有可能计算出在各种实验中波信号出现的延迟，从而有了额外的降噪工具。LIGO天文台（激光干涉引力波天文台）在美国运行着三个大型干涉仪：一个在印第安纳州的利文斯顿，另外两个在相同的真空管中，分别在汉福德和华盛顿里士满。这三个美国仪器与意大利、法国的VIRGO干涉仪合作并共享数据。VIRGO干涉仪的名字来自位于处女座附近的1500个星系团，距离我们5O干涉仪安装在意大利比萨附近的卡西纳。德国和澳大利亚也发现了其他更小、灵敏度更低的干涉仪，印度也计划安装一个。

到目前为止，还没有一种仪器能够记录引力波信号，但近年来在提高灵敏度方面取得的进展让每个人都感到乐观，我们已经在为这一发现的下一步做准备了。头号逃犯被抓的那一天，不仅是科学的大好日子，天文学的一个新分支也将应运而生。相比于已知的，这将有可能从一个完全不同而互补的角度来观察宇宙。利用新的仪器和南半球的设备，将有可能识别引力波的来源，也许还可以用一种与已知的完全不同的辐射建立宇宙的图像。利用电磁波谱的所有频率，再加上宇宙射线、中微子和引力波，可以获得这些信息，这将有助于揭示那些遥远灾难的秘密，而这些灾难隐藏着对我们宇宙更深层次的理解。将灵敏度推到极限将试图揭示引力波化石，大爆炸的残留物，也许我们将开始理解引力在宇宙生命最初时刻的作用。

因此，我们已经在考虑在太空中安装干涉仪，这些设备将围绕太阳旋转，远离任何地震干扰，在恒星空间最深处的真空中移动，使用的激光束将传播数百万千米。这是欧洲航天局的eLISA计划（演化激光干涉空间天线计划），目前正在对该项目进行可行性测试，可于2034年将其送入轨道。

为了应对这些最新的挑战，将需要新一代的科学家，他们能够在设计其他更复杂的工具和技术的方面实现质的飞跃。我们需要年轻一代睿智的头脑，为知识之路注入新动力。