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一无所获的六大实验

成为一名实验科学家,得具有足够的毅力。因为很多时候,实验不是一帆风顺的,有时甚至费力不讨好。现在,就有一些很重要的科学实验,花费了很多科学家的时间和精力,但却毫无结果。但这不要紧,不管最终结果如何,它们都会对宇宙以及我们自身的理解,产生深远的影响。

下面,我们列出6个这样的科学实验。

要想看见暗物质,

在地下埋个液态氙罐

宇宙中存在着大量的暗物质,大约占了宇宙物质总量的84.5%。但它们既不吸收光线,也不发射光线,我们无法直接看见它们,只能通过它们对普通物质的引力作用来间接找到它们。

要想直接看见暗物质,我们得推测一下它们的真实身份。科学家们提出了很多种暗物质理论模型,其中最有希望的理论模型认为,暗物质可能是所谓的“大质量弱相互作用粒子”组成的。就是说,这种粒子虽然不能与普通物质发生电磁作用,但可以与普通物质粒子发生弱核力作用。这种弱核力作用是可以探测的。于是,科学家开始做实验来寻找这种暗物质粒子。为了隔离掉不必要的粒子和辐射,寻找暗物质粒子的实验设备通常位于地下。例如,大型地下氙实验(LUX)就埋在了美国南达科塔州地下约1.5千米的地方。整个探测器还放置在一箱装满72000吨高纯度水的水箱内,来过滤掉剩余的不必要的粒子和辐射。探测器内部包含了370千克的液态氙,如果暗物质粒子真的存在,想必具有很强的穿透性,那么它们就有机会与探测器里的氙原子发生碰撞。如果真的发生了碰撞,那就会产生光子,通过光子检测器,科学家们就知道是否检测到了暗物质粒子。

LUX是在2013年开始运行的,但到现在也毫无结果。科学家们准备把LUX升级为包含7吨液态氙的探测器,并在2020年开始继续寻找暗物质粒子。

要想看到原初引力波,

选择去南极

科学家认为,宇宙大爆炸后的瞬间产生了一股引力波——一种时空的涟漪。这种原初引力波最终会在宇宙微波背景辐射上,留下一种独特的痕迹。为了寻找原初引力波,美国多个大学和研究机构在阿蒙森-史考特南极站附近开展了名为“宇宙银河系外偏振背景成像”(简称BICEP)科研项目。之所以选择在南极做实验,主要是那里远离人造信号的干扰。

2014年,参与此项目的科学家宣布,他们的BICEP2望远镜检测到了原初引力波。但可惜的是,后来被证明那不过是银河系尘埃产生的。然而,科学家没有退缩。他们随后升级了望远镜,命名为BICEP3。BICEP3是由大约2500个探测器组成了一个探测阵列,可以观测到比以前频率更低一些的宇宙微波背景辐射。虽然现在还没有结果,但南极那里的科学家还是不惧严寒,继续为找到原初引力波而努力地工作。

要想验证力的统一,

寻找光的“音爆”

弱电统一理论认为,电磁力和弱核力(负责某些类型的放射性衰变)其实是一种所谓的“电弱力”的不同表现形式。虽然在日常的低能量情况下,电磁力与弱核力存在很大的差异,但在高能的情况下,例如宇宙大爆炸后的一段时间里,这两种作用力会统合成单一的电弱力。弱电统一理论的一些推论已经被实验所证实,所以提出弱电统一理论的物理学家在1979年获得了诺贝尔物理学奖。

随后,一些科学家还提出了大统一理论,认为强核力(夸克之间的相互作用力)在更高的能量下,还能与电弱力统一起来,变为同一种力。我们不能直接检验大统一理论,因为所需的能量,可能是欧洲大型强子对撞机所能达到的最高能量的一万亿倍。不过,我们可以去检测它的一个重要推论——质子的衰变。以前的理论认为,质子不会衰变,但大统一理论却认为,质子会衰变成π介子和正电子,不过质子的半衰期很长,可能有当前宇宙年龄的100亿亿亿倍。

半衰期很长,意味着一个质子发生衰变的概率很低,但如果去检测大量的质子,那么我们就有机会在检测到一个质子的衰变。目前,在日本岐阜县的一个深达1000米的废弃砷矿中,有一个正在运行的探测器,叫做超级神冈探测器。该探测器最初的目标就是去探测质子的衰变。探测器主要部分是一个巨大的不锈钢圆柱形容器,里面装有5万吨高纯度的水。通过不断检测水中产生的切连科夫辐射——这相当于光的“声爆”——来检测是否有来自于质子衰变出的高能粒子。

到目前为止,探测器就连一个质子的衰变也没有检测到。科学家准备升级超级神冈探测器,目标是把敏感度升到原来的10倍,并在2020年前后开始新的观测。

小贴士:

切连科夫辐射

带电粒子在介质中运动的速度,如果超过了光在该介质中的速度(如光在水中的速度:22.5万千米/秒,光在玻璃中的速度:20万千米/秒)那么它就会发出一种蓝色辉光,这就是切连科夫辐射。这与超音速飞机或子弹的音爆现象类似。

为检测超对称性,

探测中子的电偶极矩

一个中子由两个下夸克和一个上夸克构成,上夸克拥有正电荷,下夸克拥有负电荷。但粒子物理学的标准模型预言,夸克正电的中心与负电的中心不在一个点上,存在一定距离。而电偶极矩这个物理量,就等于这段距离乘以电荷。但中子的电偶极矩太微小了,所以到现在也没有被检测到。

但是,超对称理论却认为,中子会具有更大的电偶极矩,大约是标准模型所认为的10万倍。超对称理论是一个尚未被证实的理论,认为每一个基本粒子都有一个被称为“超对称伙伴”的粒子与之匹配。该理论可以解决许多标准模型无法解释的物理现象,但科学家们还没有在实验中找到任何超对称伙伴粒子。一个可能的原因是,检测到它们所需的能量极高。

于是,一些科学家们认为,通过检测中子的电偶极矩大小,就可以验证超对称理论是否正确。位于法国格勒诺布尔的CryoEDM实验,目的就是检测中子电偶极矩的大小。通过观察在不同的电场和磁场下,超冷的中子如何改变它的转动方向,科学家就可推算出中子的电偶极矩大小。

CryoEDM还没有检测到中子的电偶极矩,不过设备还有着升级的空间。等它达到了最佳的灵敏度时,它可以有机会验证超对称理论是否正确。

为了检测额外维度,

检测等效原理

我们能感知到的空间是三维的,但一些理论认为,宇宙应该有着额外的空间维度,不过可能被卷曲到很小很小的空间里,无法被直接观测到。那么怎么检测是否有额外维度呢?科学家提出,可以去检测等效原理。

等效原理涉及到两种质量。一个是惯性质量,决定了改变一个物体运动状态时所需力的大小;另一个是引力质量,决定了引力作用在物体上的大小。等效原理认为,这两类质量本质上是一样的。

而科学家认为,如果额外维度真的存在,那么它会产生一种额外的引力,这种引力对不同组成成分的物体会产生大小不同的力。这就导致了引力质量与惯性质量不再相同,从而违背了等效原理,尽管差别极其细微。

目前,一个来自于美国华盛顿大学的研究小组,对等效原理做了细致的检测。他们用的检测仪器是一个被悬挂起来的接近空心柱状的壳体,在柱的每一面都镶嵌有由不同物质构成的重块,研究人员让这个柱状的壳体缓慢地转动。

因为地球是时刻自转着的,所以壳体的重块因惯性质量将产生偏离地球轴线的离心力。如果等效原理成立,那么不同的重块的离心力与引力的合力,都会朝着同一个方向。如果等效原理不成立,那么每一重块的引力和离心力的合力将指向稍稍不同的方向。这一微弱差别会给壳体的旋转带来影响。但到目前为止,他们没有发现壳体转动的任何异常之处,等效原理是成立的。这可能说明,额外的空间维度不存在。即使额外维度存在,也是被卷曲到被比以前认为的更小的空间里。

要想发现外星人,

就要继续聆听下去

地球以外是否存在着智慧生命呢?从古至今,人类对外星人一直存在着各猜想。而从20世纪中叶开始,许多科学家参与了搜寻地外文明计划(SETI)。他们致力于使用射电望远镜等天文学设备,接收从宇宙中传来的电磁波,从中分析有规律的信号,来寻找外星人。

但目前来说,科学家们还没有找到任何关于外星人存在的线索。不过在1977年,美国俄亥俄州立大学的巨耳无线电望远镜曾收到了一个疑似外星人通讯信号,即著名的Wow!信号。但可惜的是,这种信号出现一次后就再也没有出现过,不足以当作证据。

物理学家弗里曼·戴森曾猜测,先进的外星文明还会建造一个巨大的球壳,包裹一颗恒星来利用其能量。所以,科学家们还致力于寻找巨型外星建筑来寻找外星人。在2015年9月,科学家还发现恒星KIC 8462852的亮度有时会竟然下降22%。一些科学家认为,这可能是巨型外星建筑挡住了其光芒,但也可能是其他自然原因引起的。目前来说,真正的成因还有待进一步的观测。

但随着更多先进设备的使用,包括位于中国贵州的500米口径射电望远镜(FAST)的启用,寻找到外星人的机会变得越来越大。

本文源自大科技<科学之谜> 2017年第10期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

 

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