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奇怪的知识增加了

2021-03-25马库斯·乔恩

风流一代·经典文摘 2021年3期
关键词:中微子暗物质原子

马库斯·乔恩

【内容简介】

这是一本由50个古怪又奇妙的科学事实组成的科普书。

随着科技的进步和飞跃,人类对世界的理解不断加深,这一切都揭示了一个远比我们想象中更为奇怪的宇宙。作者用轻松幽默的语言,向我们阐释了宇宙中所暗藏的巨大能量,也揭示了关于生命存在的有趣细节,让人在脑洞大开之余,获得丰富的科学知识。发掘那些控制我们日常生活的隐藏真理,有助于解释我们存在的巨大复杂性,也能够改变我们的思维方式和对万事万物的看法。

3万年前的光

愉快的回忆让我重回往日的时光。

——托马斯·穆尔

科学史上有一张十分神奇的照片,深蓝色背景上面有一个橘黄色、充满颗粒感的光斑。我在科普演讲的时候,总喜欢把这个图投影在大屏幕上让大家猜。有人说是个正在爆炸的恒星,有人说是个原子,还有人说是一坨熔化的金属球。反正答案千奇百怪,但很少有人答对。这样才好,我就能用夸张的语气给出这个让人惊奇的答案:“这是太阳啊!晚上的太阳。”

“你可得了吧,”总有人会站起来质疑,“晚上?太阳不是在地球另一边吗?”

“对呀,可不就是地球另一边的太阳!这张照片不是抬起头拍摄的,而是埋着头拍摄的,隔着8000多英里地球直径拍摄到的地球另一边的太阳。这也不是借着光拍摄的,而是借着中微子。”

中微子是一种来去无踪的亚原子粒子,是太阳核心核反应的生成物,数量庞大到不可思议。你现在如果伸出拇指,1秒内就有1000亿个中微子穿过你的指甲盖。你对此毫无觉察,因为它们非常不喜欢社交,它们一般不跟任何原子交流。要寻觅它的踪迹就只能使用充满大量原子的探测头,希望哪个原子能拦住一个中微子。

这张地球背面的太阳照片是由超级神冈中微子探测器拍摄的,探测器深埋在日本岐阜县下方的大洞穴里。探测器就像一个10层楼高的红烧肉罐头,灌满了5万吨的水。偶然间会有一颗太阳的中微子穿过探测器并很罕见地和水分子里的氢原子核,也就是质子互相作用。然后这个亚原子弹片被炸出水罐,这个过程会发出像超声速冲击波一般的光。你很可能都见过这种切伦科夫光的照片,其实就是在核反应堆旁放射性废料发出的蓝莹莹的光亮。

在超级神冈探测器那巨大的罐头内,满满覆盖着11146个直径50厘米的“灯泡”。它们就是名为“光电倍增管”的光探测器。只要记录下哪些光探测器被激活(探测到光线),以及激活的顺序,物理学家就能推测出中微子产生切伦科夫光的路径。

但这些细节都不重要。只要知道中微子几乎不和其他物质互相作用,因此从太阳核心往表层发散的时候才能畅通无阻地走直线,仅2秒就能抵达太阳表层。之后又花了约8.5分钟飞到地球。

再一次竖起你的大拇指。现在正穿过你拇指的中微子在约8.5分钟之前还在太阳核心呢。

然而,太阳光虽然也是由内核核反应产生的,却和中微子的际遇大相径庭。光是一束由无数光子组成的粒子流,它们从太阳内核去往表层的路程异常艰辛。光子们就像圣诞节抢降价商品的中年妇女一样,在异常拥挤的街道上杀出一条血路。它们可走不了直线,被挤到怀疑人生的它们只能Z字形前行。在太阳内部,光子走不到一厘米就会被其他物质反射向另一个方向。事實上,对光子来说,从太阳内核到外层的路途实在是太曲折了,要花上3万年的时间才走得完。对的,你没看错,是3万年!再想想中微子只需要2秒,不禁心疼一下光子。然后,光子从太阳外层抵达地球只要8.5分钟。

综上所述,你今天看见的阳光已经有3万岁了,它们差不多是在最后一个冰河时期诞生的呢!

暗物质无处不在,它就在你房间的每个角落。

——法比奥拉·贾诺蒂

97.5%的宇宙是不可见的,不管从哪个角度看,这都堪称科学史上最令人讶异的发现。然而,大部分科学家对这一事实的认识仍然不够深刻。很多人仍未意识到,过去350多年以来科学家致力于的事业不过只是宇宙极小一部分,就像巍峨大山中散落的雪花。

宇宙仅有4.9%是由原子组成的,比如说你和我、天上的繁星等。然而通过望远镜,我们仅能看到这4.9%的一半。天文学家怀疑另一半由原子组成但又看不见的物质是星系之间游荡的气体,它们不够冷,也不够热,无法发出光亮。近期有科学研究表明,我们已经在热气体细丝中找到了一部分这种看不见的物质。热气体细丝是星系之间稀薄的网状物质。

宇宙中4.9%为普通物质,26.8%(大概为普通物质的6倍)为暗物质。暗物质不发光,或者发出的光芒过于暗淡,以至于我们最为灵敏的天文设备都无法探测到。我们能觉察到暗物质的存在,完全是因为暗物质对可见星体和星系有引力作用,使得它们的运动轨迹与牛顿引力定律的计算结果不符。

至于暗物质究竟是什么,我也并不比你多知道些什么。对此猜测很多,从未知的亚原子到自大爆炸就存在的冰箱大小的黑洞。还有种可能就是,我们正处于倒流的时间中,而暗物质是未来遗留下来的产物(没开玩笑)。如果暗物质是由前者构成的,那它现在就真的充斥在你周围的空气中。科学家也曾希望有疑似暗物质的亚原子,会在位于瑞士日内瓦附近的大型粒子加速器内现身,但至今为止并没有任何惊喜。闲来无事之时,我也会胡乱猜测一下是否会有暗恒星、暗行星、暗生物之类的东西。也会猜测,科学家近50年来不断试图寻找外星文明但一无所获的原因没准就在这些“暗”的事物上,没准我们周围正热闹地开展着星系间商务文化交流,只是我们看不见而已。

除去4.9%的普通物质、26.8%的暗物质,另外占据68.3%宇宙质量的是暗能量(记住,所有能量都有对等的质量,按照爱因斯坦质能方程E=m  换算)。暗能量不可见,它充斥着整个宇宙且带有负引力。负引力会加速宇宙膨胀,这也是为什么我们能在1998年发现暗能量的存在。试想一下,直到20多年前,科学界才开始意识到那些一直以来忽略掉的绝大部分宇宙。

如果说物理学家们被暗物质难住了,那么暗能量简直让他们无从下手。当今最先进的物理理论是量子理论,它十分成功,我们从它那里获得了激光、电脑和核反应堆。它也解释了太阳为什么发光,我们脚下的土地为什么坚实。但是,当我们将量子理论用于预测暗能量的能量时,得出的计算结果比我们实际观测到的结果大了1后面加120个0那么多倍。这是科学史上理论值与观测值差异最大的一次。也许我们对“真实世界”的含义有些误解。

“现代宇宙学面临最尴尬的问题是,宇宙绝大部分构成是不可见的,”美国天文学家史黛西·麦高说道,“暗物质和暗能量构成了宇宙约95%的质能,但我们也仅仅知道它们存在罢了。”

静静地想一想,我们竟然仅靠望远镜中看见的2.5%的宇宙,就勾画出现代宇宙学的基石,即宇宙模型。举个例子,这就像是,19世纪的査尔斯·达尔文如果只知道青蛙,但不知道树、狗、蚂蚱或鲨鱼什么的,那么他又能在生物学理论,如进化论上,做出多少成就呢?现代天文学家就处于这种尴尬的境地。显而易见,现代宇宙学缺失了一大块知识点。希望有朝一日,新发现能弥补这些盲点,让暗物质和暗能量这些在大爆炸理论中的捣蛋鬼能有机地整合成完美无瑕的理论。希望科学前行的道路上会有惊喜等着我们——那种能彻底改变我们看待宇宙方式的惊喜。

你的确来自天堂

在我心里,一弯草叶可比天上繁星起落。

——沃尔特·惠特曼

你血液中的铁、骨骼中的钙、肺中吸入的氧都是远在地球诞生之前,在漫天繁星内部形成的。事实上,我们与星系之间的关系紧密到任何占星家都无法想象,而科学家发现这一惊人事实的道路是漫长而曲折的。

第一步是发现宇宙间万物生灵都是由原子构成。理查德·范曼曾提出一个问题:“如果有大灾难发生,所有科技科学都将毁于一旦,我们却只能为后世留下一句话,那么怎样才能用最少的话语传递最多的科学信息呢?”他斩钉截铁地自问自答道:“万物皆由原子構成。”

在漫长的几个世纪里,人们曾经不断尝试将一种物质炼制成另一种物质,比如说把铅变成金子。有趣的是,在经历了几百年的尝试失败之后,人们突然发现世界是由微小而不可分的粒子构成的,这些基本粒子并不能从一种变成另一种。原子不仅是基本元素,它还是谱写万物的字母表。正如前文所言,将原子按不同方式、不同类别组合在一起,能构成一个星系、一棵树或者一只在山间嬉戏的猿猴。世间繁复多变的事物只是虚幻,万物的本质都十分简单,只是自然基础元素的排列组合而已。

自然界一共有 92 种自然存在的原子或者说元素,从质量最轻的氢元素到最重的铀元素,其中一些元素在宇宙中很常见,另一些则不然。到了 20 世纪,我们又发现另一个古怪的事实,一个元素在宇宙中含量多少与其原子核构造有关。比如说,原子核最轻的元素最为常见。

那么,究竟为什么元素在宇宙中的含量会和元素原子核结构相关呢?唯一行得通的解释是,核反应过程也参与到原子形成的历程中了。换句话说,创世神并不是一次性创造出这 92 种元素。真实情况是,当宇宙还处于幼年阶段时,它只拥有最简单的原子——氢原子。而其他更重的元素都是由氢元素组合形成的。

原子核内的质子之间排斥力异常强,要想靠核力将它们像《星际迷航》中“牵引光束”那样束缚住并且黏合在一起,就必须把质子们放置到足够近的地方。这就意味着,质子们必须以极高的速度“砰” 的一下撞击在一起。温度是微观运动的量尺,也就是说这种核反应需要极高的温度。

20 世纪的物理学家们面临的问题是:宇宙中什么地方的温度可以达到让原子核融合,从而形成新原子的高温熔炉呢?最初,科学家们认为是各大恒星表面,但即便是那儿的温度似乎也不够高。他们发现找错了地方,于是把目光转移到宇宙诞生之初的那一瞬间:宇宙大爆炸的火球就是最初的熔炉。

但是,大自然做事才不会如此简单,炼造出 92 种元素的宇宙熔炉并不止这一处。质量极轻的一些元素,比如说氦,的确是在宇宙诞生那最初几分钟里炼化而成的。而所有重一些的元素则是由各恒星内核自大爆炸起就苦心经营、费力炼化而来的。

太阳这般的恒星不够热、密度也不够大,炼化不出任何比氦元素更重的元素。但大质量恒星内部则能炼制出重至铁元素的原子。到最后,这类恒星内部结构就如洋葱一般,每一层的构成元素都比它外面一层的构成元素更重。

如果这些恒星始终保持稳定,也没有演化到超新星爆炸阶段,那么这些新的更重的元素便一直封锁在恒星内部。这样一来,我们也不会存在了。幸好,这些恒星不仅会借助自身爆炸将核熔炉中融合的新元素分享给全宇宙,在爆炸过程中还会生产出更重的元素来。

这些元素与星际云的气体和尘埃混合在一起,丰富了星际云中的重质量元素,与星际云一起孕育新恒星和行星。正因如此,重元素才会在地球上出现。正如美国天文学家艾伦·桑德奇所言:“我们都是兄弟姐妹,我们都来自同一次超新星爆炸。”

如果从恒星上挖一小块物质会是什么样的呢?如果好奇的话,不如举起自己的手看一看,毕竟你就是星尘所化。

(可可摘自湖南科技出版社《奇怪的知识增加了》)

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