第277章 暗物質的歷史
更新時間:2016-02-01 作者:維斯特帕列
妖孽學霸 第277章 暗物質的歷史
主編的話其實外行了，尋找暗物質不一定需要新的理論，依照現在已有的理論也有可能發現暗物質，甚至有可能在試驗中發現沒有任何理論預言過的暗物質；如果是這樣前一種情況提出理論的人獲獎，后一種情況發現的人獲獎；呂丘建之所以提出新理論，除了這種理論的確可行之外，還想讓自己獲獎的理由更扎實一些！ 既然暗物質是無法被看到的，那么物理屆是怎么發現它的存在的呢？或者說物理學家們為什么要假設存在暗物質呢？ 這就要從物理學家的工作習慣說起，數學家們現提出一些不證自明的假設，諸如兩點之間直線最短之類，然后由這些不證自明的公理推導出龐大的數學體系；而物理學家則是先提出假設，先用著再說，如果這種假設能夠自洽、并在測量精度上符合已知現象并能做出合理預言，那么它就是正確的。 物理學是具有可證偽性的。對于任何一個物理理論，我們都有可能設計某種實驗將其證偽；現在我們接受某種物理理論，并不是說它被證明了、而是沒有被任何實驗證偽。如果它被實驗證明是錯誤的，那么它就是錯誤的，如果不能被證明錯誤，那么就接著用吧！比如伽利略的兩個鐵球試驗就證明了亞里士多德的理論是錯誤的。 暗物質的出現要追朔到愛因斯坦的理論，愛因斯坦認為宇宙的形狀取決于宇宙質量的多少。他認為:宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米5x10的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數物質“失蹤”了。科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”。 之后的近一百年時間里，許許多多物理學家、天文學家通過不同的渠道找到了暗物質存在的證據，1933年。美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茲扎維奇發現一個星系團中的星系速度比預期的要大，根據牛頓萬有引力定律。意味著星系之間還有許沒有被觀測到的物質。 根據他的推斷星系團的質量比從星系團中發光星體推斷出來的質量大了400倍，并首次提出了“暗物質”的概念，但這一觀點在當時并未受到重視。 直到1970年，女科學家魯賓和她的同時福特終于找到了令人信服的證據，他們通過對仙女座大星云星體旋轉曲線的研究，發現了一個奇特的現象；根據牛頓萬有引力定律，如果一個星系的質量主要集中在星系核心，那么星系外圍的星體運行的速度將隨著距離的增大而減小。但是從他們觀測到的結果相當大的范圍內星系外圍星體運行的速度是恒定的！ 于是他們得出了和扎維奇相似的結論，要么是牛頓萬有引力定律不正確，要么星系非核心區域分布著許多沒有被觀測到的物質；由于牛頓萬有引力定律尚未被證偽，所以暗物質就成了唯一的解釋。 接著許多類似的天文現象被觀測到，因此暗物質的存在理論被廣泛認同，但是直到如今物理屆也沒有建立起一個可靠地暗物質模型，也沒有真正找到暗物質。 暗物質的存在對粒子物理理論提出了新的挑戰，在溫伯格提出的標準模型中只有中微子可能是暗物質，但研究表明中微子無法成為宇宙中暗物質的主要組成部分。所以暗物質要求有超出標準模型的新物理模型。 物理學家們也提出了諸如最小超對稱模型、額外維度模型、小希格斯模型等多種模型，但都沒有辦法獲得確鑿的實驗證據。 由于暗物質不參與電磁反應的特性。所以很難用天文望遠鏡直接觀測，所以物理學家們設計了三種不同的觀測方式進行探索，分別是加速器觀測、間接觀測和直接觀測。 加速器觀測就是利用lhc進行粒子對撞。將暗物質創造出來，然后根據暗物質粒子帶走的能量和分布來推測暗物質的性質。 間接觀測就是觀測暗物質粒子衰變后產生的穩定可見粒子，并根據這些線索逆推暗物質的屬性。 直接觀測則是在極深的地下建立起可以屏蔽絕大多數地面干擾信號的觀測室，探測暗物質粒子和探測器中的物質原子核所產生的信號。這也是目前最可行的探索方式之一。但這種方式對呂丘建來說有些麻煩。 要探索到暗物質，必須要有極深的地下試驗室，而現在無論是米國南達科他州布萊克山霍姆斯特克金礦地下2438米的地下科學實驗室，還是比這更深的華國錦屏極深地下暗物質實驗室都還只存在于圖紙上，距離投入使用還有相當長的時間，他可沒那個時間等待這兩項大工程完成。而現有的意大利gransasso地下試驗室等達不到他的要求。 所以lhc的加速器探索就成了他目前唯一的選擇。這也是之前他竭盡全力發現新的數據分析方法、幫助cern調整試驗計劃的目的。 首先只有幫助cern完成了希格斯玻色子的探索，lhc才會空出時間來完成關于暗物質的實驗；其次他通過希格斯玻色子發現過程中的巨大貢獻證實了自己的實力。讓cern按照自己的試驗計劃進行發現暗物質的實驗有了可能。 當然，現在就立刻去cern拿出自己的實驗方案。讓埃文斯博士根據這個方案開展實驗還是不現實的，一則希格斯玻色子的實驗尚未結束，cern還需要更多的發現來讓希格斯玻色子在統計學上達到確定存在的標準；二則呂丘建需要建立起屬于自己的暗物質模型，如此才好從對撞機實驗所反饋回來的龐大數據中發現被自己預言的那種暗物質粒子。 “胥夫特教授，我有一篇新的文章想讓您幫忙看看！”呂丘建走進胥夫特教授的辦公室，將論文放到他的桌子上。 “哦？是什么文章？關于希格斯玻色子的？”胥夫特教授擦了擦眼鏡，接過呂丘建的論文，之前呂丘建在希格斯玻色子的發現過程中做了那么多工作，如果不刷幾篇文章出來也有點太浪費了。 “關于實驗的文章會由整個實驗團隊完成！這次我的文章是關于暗物質的！我設計了一種新的暗物質粒子模型。”呂丘建坐在椅子上等著教授先生的回復。 “暗物質啊！”胥夫特教授嘟囔著翻開了論文。( 妖孽學霸 第277章 暗物質的歷史
主編的話其實外行了，尋找暗物質不一定需要新的理論，依照現在已有的理論也有可能發現暗物質，甚至有可能在試驗中發現沒有任何理論預言過的暗物質；如果是這樣前一種情況提出理論的人獲獎，后一種情況發現的人獲獎；呂丘建之所以提出新理論，除了這種理論的確可行之外，還想讓自己獲獎的理由更扎實一些！ 既然暗物質是無法被看到的，那么物理屆是怎么發現它的存在的呢？或者說物理學家們為什么要假設存在暗物質呢？ 這就要從物理學家的工作習慣說起，數學家們現提出一些不證自明的假設，諸如兩點之間直線最短之類，然后由這些不證自明的公理推導出龐大的數學體系；而物理學家則是先提出假設，先用著再說，如果這種假設能夠自洽、并在測量精度上符合已知現象并能做出合理預言，那么它就是正確的。 物理學是具有可證偽性的。對于任何一個物理理論，我們都有可能設計某種實驗將其證偽；現在我們接受某種物理理論，并不是說它被證明了、而是沒有被任何實驗證偽。如果它被實驗證明是錯誤的，那么它就是錯誤的，如果不能被證明錯誤，那么就接著用吧！比如伽利略的兩個鐵球試驗就證明了亞里士多德的理論是錯誤的。 暗物質的出現要追朔到愛因斯坦的理論，愛因斯坦認為宇宙的形狀取決于宇宙質量的多少。他認為:宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米5x10的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數物質“失蹤”了。科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”。 之后的近一百年時間里，許許多多物理學家、天文學家通過不同的渠道找到了暗物質存在的證據，1933年。美國加州工學院的瑞士天文學家弗里茲扎維奇發現一個星系團中的星系速度比預期的要大，根據牛頓萬有引力定律。意味著星系之間還有許沒有被觀測到的物質。 根據他的推斷星系團的質量比從星系團中發光星體推斷出來的質量大了400倍，并首次提出了“暗物質”的概念，但這一觀點在當時并未受到重視。 直到1970年，女科學家魯賓和她的同時福特終于找到了令人信服的證據，他們通過對仙女座大星云星體旋轉曲線的研究，發現了一個奇特的現象；根據牛頓萬有引力定律，如果一個星系的質量主要集中在星系核心，那么星系外圍的星體運行的速度將隨著距離的增大而減小。但是從他們觀測到的結果相當大的范圍內星系外圍星體運行的速度是恒定的！ 于是他們得出了和扎維奇相似的結論，要么是牛頓萬有引力定律不正確，要么星系非核心區域分布著許多沒有被觀測到的物質；由于牛頓萬有引力定律尚未被證偽，所以暗物質就成了唯一的解釋。 接著許多類似的天文現象被觀測到，因此暗物質的存在理論被廣泛認同，但是直到如今物理屆也沒有建立起一個可靠地暗物質模型，也沒有真正找到暗物質。 暗物質的存在對粒子物理理論提出了新的挑戰，在溫伯格提出的標準模型中只有中微子可能是暗物質，但研究表明中微子無法成為宇宙中暗物質的主要組成部分。所以暗物質要求有超出標準模型的新物理模型。 物理學家們也提出了諸如最小超對稱模型、額外維度模型、小希格斯模型等多種模型，但都沒有辦法獲得確鑿的實驗證據。 由于暗物質不參與電磁反應的特性。所以很難用天文望遠鏡直接觀測，所以物理學家們設計了三種不同的觀測方式進行探索，分別是加速器觀測、間接觀測和直接觀測。 加速器觀測就是利用lhc進行粒子對撞。將暗物質創造出來，然后根據暗物質粒子帶走的能量和分布來推測暗物質的性質。 間接觀測就是觀測暗物質粒子衰變后產生的穩定可見粒子，并根據這些線索逆推暗物質的屬性。 直接觀測則是在極深的地下建立起可以屏蔽絕大多數地面干擾信號的觀測室，探測暗物質粒子和探測器中的物質原子核所產生的信號。這也是目前最可行的探索方式之一。但這種方式對呂丘建來說有些麻煩。 要探索到暗物質，必須要有極深的地下試驗室，而現在無論是米國南達科他州布萊克山霍姆斯特克金礦地下2438米的地下科學實驗室，還是比這更深的華國錦屏極深地下暗物質實驗室都還只存在于圖紙上，距離投入使用還有相當長的時間，他可沒那個時間等待這兩項大工程完成。而現有的意大利gransasso地下試驗室等達不到他的要求。 所以lhc的加速器探索就成了他目前唯一的選擇。這也是之前他竭盡全力發現新的數據分析方法、幫助cern調整試驗計劃的目的。 首先只有幫助cern完成了希格斯玻色子的探索，lhc才會空出時間來完成關于暗物質的實驗；其次他通過希格斯玻色子發現過程中的巨大貢獻證實了自己的實力。讓cern按照自己的試驗計劃進行發現暗物質的實驗有了可能。 當然，現在就立刻去cern拿出自己的實驗方案。讓埃文斯博士根據這個方案開展實驗還是不現實的，一則希格斯玻色子的實驗尚未結束，cern還需要更多的發現來讓希格斯玻色子在統計學上達到確定存在的標準；二則呂丘建需要建立起屬于自己的暗物質模型，如此才好從對撞機實驗所反饋回來的龐大數據中發現被自己預言的那種暗物質粒子。 “胥夫特教授，我有一篇新的文章想讓您幫忙看看！”呂丘建走進胥夫特教授的辦公室，將論文放到他的桌子上。 “哦？是什么文章？關于希格斯玻色子的？”胥夫特教授擦了擦眼鏡，接過呂丘建的論文，之前呂丘建在希格斯玻色子的發現過程中做了那么多工作，如果不刷幾篇文章出來也有點太浪費了。 “關于實驗的文章會由整個實驗團隊完成！這次我的文章是關于暗物質的！我設計了一種新的暗物質粒子模型。”呂丘建坐在椅子上等著教授先生的回復。 “暗物質啊！”胥夫特教授嘟囔著翻開了論文。( 妖孽學霸 第277章 暗物質的歷史
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