1700873580
今天的物理学家如何做研究
1700873581
1700873582
天体物理学家是指那些借助物理学研究天文学的人。在可能的最小范围（亚原子粒子）内和可能的最大范围（宇宙）中所发生的事，都是他们想要弄懂的对象。
1700873583
1700873584
为了研究早期宇宙发生了什么，科学家需要尽最大限度重新创造出当时的条件。这就需要使用巨大且昂贵的机器，让亚原子粒子以接近光速的速度进行撞击。（似乎正应了比尔·布莱森那句话：越是研究小东西，越是需要大机器。）
1700873585
1700873586
由于没有哪个国家能够独自负担得起这类机器，所以100多个国家携起手来，提供所需的资金、科学家和工程师，共同建造所需的设备。该设备建在法国和瑞士交界处，靠近日内瓦机场。组织者是欧洲核子研究中心（CERN）。该机器叫作“大型强子对撞机”（LHC），是迄今造价最高的科学实验设备，总投资超过60亿美元，仅电费这一项，一年就要3000万美元。（强子是强核力控制下的质子、中子及其他粒子的统称。）
1700873587
1700873588
大型强子对撞机于2008年完工，建在地下的圆形隧道内。周长几乎有27千米（17英里）。科学家发射两束粒子，通常为质子，一束顺时针运行，一束逆时针运行。粒子一圈圈地在隧道内运行，逐渐加速到接近光速。两束粒子对撞时，能量所达到的水平，在宇宙第一秒之后还从未见过。
1700873589
1700873590
通过加速使质子对撞并破裂，LHC可以把质子打碎成更小的粒子。这有点像为了知道两辆小汽车里有什么而让它们相撞。
1700873591
1700873592
质子对撞分裂出来的粒子只存在远远不到一秒钟的时间，就立刻衰变了，或与其他粒子重新结合起来。大爆炸理论表明，早期宇宙的所有物质都包含这些微小的亚原子粒子，所以说，LHC是试着在小规模上重造早期宇宙。
1700873593
1700873594
苏格兰物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了一项假说，目前科学家正在检测。希格斯想搞明白，在这些最微小的粒子中，为什么有的似乎有质量，而有的没有。他假设宇宙可能浸在一个无形的背景场中，类似于磁场，这个场由极其微小的、没有质量或能量的粒子构成。
1700873595
1700873596
假说中的这种粒子叫作“玻色子”，或“希格斯玻色子”，是以两位物理学家的名字命名的——彼得·希格斯和印度物理学家玻色（S. N. Bose，1894—1974）。希格斯认为，与玻色子相互作用的粒子具有质量（质子和中子），而那些可以轻易穿过玻色子场但不发生相互作用的粒子没有质量（如光子）。温度越低，玻色子就越“厚实”，物质粒子穿过玻色子场的难度也越大，这一现象被解读为它们具有了质量。物质之所以存在，就是因为这个原本就存在的、隐藏的背景场。
1700873597
1700873598
但是，有没有人发现希格斯玻色子存在的证据呢？直到2012年7月4日，LHC的科学家才宣布发现了希格斯玻色子的初步证据。2013年5月，他们宣布发现了新的证据，要想分析其特性需要进一步的研究。（最近LHC的功率得到了提高。最新消息可以登录http://home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider查看。）
1700873599
1700873600
知识前沿的疑问
1700873601
1700873602
人类对于宇宙的认识还存在很多重大问题未能得到回答。下面列举其中几个，科学家希望通过LHC收集的数据能够解答其中几个问题。等本书出版时，有些问题可能已经解决——由于新发现产生的速度越来越快，要想让书的内容保持最新可不容易。
1700873603
1700873604
·什么是暴胀？大多数天文学家提出假说，在宇宙诞生的第一秒内有一瞬间，宇宙以指数级别迅速膨胀，在不到一秒钟的时间内，空间多次倍增，膨胀的速率“前无古人后无来者”。
1700873605
1700873606
这一假说最初是由物理学家艾伦·古思（Alan Guth）于1979年提出来的。目前已经发现了支持这一假说的部分证据，但尚不足以得出结论。暴胀会使引力波遍布宇宙各处。科学家正在宇宙微波背景中寻找相关证据，但空间中的尘埃会造成图像扭曲变形，这阻碍了科学家的研究。此问题需继续关注。
1700873607
1700873608
·除了所说的四维空间之外，宇宙中还存在其他维么？
1700873609
1700873610
“弦理论”假说认为：自然界的基本构成单元不是粒子，而是以不同方式振动的弦。其中一个版本的弦理论假说认为宇宙中存在11维。弦理论的支持者希望大型强子对撞机能够为这一假说提供支持，因为迄今为止，还没有任何证据证明这一假说。
1700873611
1700873612
·经典的宇宙大爆炸理论能与量子理论结合起来吗？
1700873613
1700873614
对最小范围内物质的研究，称作“量子物理学”或“量子力学”。量子对应的拉丁文中的“quantum”一词，其含义是“碎裂成束或粒子”，而“力学”（mechanics）一词是个老词，意思是对运动的研究。所以说，量子力学是指对粒子运动或相互作用的研究。
1700873615
1700873616
1927年，德国理论物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976）提出了著名的“不确定性原理”，在量子物理学界引起震动。该原理指出，可以把电子描述为一种波，位置确定得越精确，动量越模糊，反之亦然。换言之，我们无法同时准确地测量出电子的位置和轨道。因此，电子在某个既定时刻所处的位置，永远无法准确预知。
1700873617
1700873618
粒子一旦小到电子这样的程度，似乎会随意地产生或消失。物理学家所能做的，就是估计某个粒子在某个特定时间存在于某个特定地点的可能性。到了最基本的层次，现实似乎变成了随机的，无法准确获知。
1700873619
1700873620
这就造成了大尺度世界（即宏观世界）和微小物体世界（即微观世界）之间的断裂。经典的物理学规则到了最小的粒子尺度就失效了。物理学家尚不能将这两个领域协调起来。
1700873621
1700873622
但是宏观世界和微观世界之间的中间地带已经产生了令人兴奋的研究。这就是“介观领域”（mesoscopic realm）。这个领域的尺度大致相当于一米的百万分之一，也就是一个细菌的大小。这就是纳米技术领域，目前已经生产出可以利用量子力学效应的设备。1纳米等于10-9米，也就是一个中型分子的大小。原子还要小10倍。
1700873623
1700873624
·我们的宇宙从何而来？这个宇宙之外是否存在另外一个宇宙？我们生活在“多重宇宙”中吗？
1700873625
1700873626
人类将“宇宙视界”之内的范围称为宇宙——这是可看到与无法看到之间的边界。宇宙到底是向四面八方延伸，还是像气球弯曲回到自身，科学家并不清楚。他们也不知道空间的形状。我们只能看到发出的光有足够时间能到达我们的事物，也就是138.2亿年内的事物。但是，由于宇宙一直在膨胀，138.2亿年前的事物，如今距离我们会有457亿光年远，这就是可视宇宙的大小。
1700873627
1700873628
我们这个宇宙之外还有什么（如果有的话），天文学家也不知道。迄今为止，对于如何研究这些问题，他们尚未设计出研究方法。有些天文学家推测，这个宇宙可能是很多宇宙中的一个。或许我们所在的宇宙只是巨大的多重宇宙的一部分，多重宇宙涌现出了许多小宇宙。或许黑洞的另一端会冒出其他宇宙。这还都只是推测。
1700873629
[
上一页 ]
[ :1.70087358e+09 ]
[
下一页 ]