2018年「物理學的那些事」

數十年以前，物理學家將宇宙起源於一次「突如其來」的大爆發、或暴漲視為一種難以動搖的真理，他們普遍相信，在宇宙中迷失的暗物質由看不見的「粒子云」組成，這種重的、惰性粒子被物理學家稱之為WIMPs。自然遵守對稱性的法則，自然存在的正反物質和力組成有序而整齊的、相互對應的「鏡像世界」。宇宙物理學的「大廈」似乎已經建成，唯一留下的事情是收集足夠的證據，以證實宇宙起源這個自然的最大謎題。

然而，物理和天文方式的證明遠非易事，講好「宇宙的故事」任重而道遠，宇宙起源迄今仍是一個懸而未決的問題，暗物質未有確定，它的存在還停留在物理學家的猜想層面，超對稱性幾乎難以成立，這給我們探索的自然法則留下了一個個空白，除此以外，有暗物質、暗能量的謎題、黑洞信息悖論、量子詭異的神秘性，這些問題清晰地顯示，基礎物理學的研究領域正在經歷一個「雙重性」的艱難時期，一重屬性是它的混亂和「眾說紛紜」，另一重屬性是基礎物理學對新的概念和發現敞開了大門。2018年，基礎物理學的主要問題沒有獲得實質性的突破，這些問題的神秘性反而加深了。相比較而言，研究大量粒子奇異的突現行為的凝聚態物理學家和用新型而強大的望遠鏡「武裝」起來的天文學家在「大數據」的收集和分析中「喜獲豐收」，他們在凝聚態物理和天文觀測領域取得了不俗的成果。

（1）斯蒂芬·霍金的黑洞謎題依然令人迷惑。著名的英國物理學家斯蒂芬·霍金在今年的3月14日去世，享年76歲。霍金生前是位喜好打賭的人，他時常為了理論物理學的關鍵問題而和他的物理學家同事友好地「賭上一把」，1991年，他下了一個「賭注」：掉進黑洞的信息將被徹底毀滅，再無從黑洞取回的可能，霍金輸掉了這次賭局，物理學家現在相信，進入黑洞的信息可能逃離黑洞的「囚籠」，但是，信息怎樣從黑洞逃離？霍金髮現的「黑洞輻射」為解決這一難題提供了指南，而黑洞信息悖論為基礎物理學研究注入了強大的驅動力。將黑洞看成是全息理論描述的物體，這種理論的處理方式受到科學家的普遍重視。

（2）從第一顆恆星發出的「嘶鳴」激發了暗物質的激烈爭論。科學家在2018年3月報道了一則消息，在澳大利亞內陸的一組小型射電望遠鏡（EDGES）探測到一個來自宇宙早期第一顆恆星發射的光譜吸收帶，信號的強度顯示了這些恆星吸收了多少光線，未預期的信號強度似乎揭示了一種可能，年輕的宇宙比物理學家之前想像得要冷得多。宇宙學家猜測，在宇宙早期旋動的氣體物體通過和一種非標準類型暗物質的相互作用而冷卻下來，但是，這種猜想缺少證據，對於來自「宇宙黎明」時期的光譜信號進行後續的研究，這也許會帶來新的發現，未預期的光譜信號值得科學家投下關注的目光。

（3）新世界不同尋常的軌道指向「第九行星」。天文學家已經爭論了好幾年，一顆未有發現的巨大行星也許「潛藏」在海王星的軌道以外，2018年3月，天文學家發現了一顆更小的岩石類天體，這增加了「第九行星」存在的間接證據，為了探測太陽系以外的世界，2018年4月，歐洲航天局發射了能夠精確測量數十億顆銀河系恆星的「蓋亞」太空望遠鏡，新的探測使命激發了人們對銀河系如何起源、如何演變新的、更多的理解。天文學家在我們的銀河系確認了一大群不同尋常的恆星，它們似乎保留了在很久很久以前年輕的銀河系和一個矮星系碰撞時留下痕迹的信息，「碎片散落了一地」，劍橋大學的天文學家這樣形容兩大星系的大碰撞。

（4）暗能量也許與弦理論不相容。從2018年的夏天以來，物理學家一直在「熱情不減」地爭論一種推測，我們的宇宙似乎與弦理論的描述不符。當宇宙一直處於膨脹的階段，宇宙的真空能量密度一定以快於某一特定值的速率下降，真空能量密度下降的規律得到了以弦理論為基礎的所有簡單宇宙模型的支持，但是，這一規律違背了兩種被科學家廣泛接受的關於實際宇宙的信條，暗能量驅動了目前宇宙的膨脹，這是宇宙的標準圖景，人們看不到真空能量下降的可能。另一個信條體現在宇宙暴漲理論，該理論是解釋宇宙爆發性誕生的主導模型。宇宙真空密度下降的推測雖然具有宇宙學的極大影響和參考價值，但是，這種推測由於和暗能量和宇宙早期暴漲理論不相符合而引起了很多的認知混亂和科學家的疑惑。

（科普編譯：2019-1-5）

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