第四章天体一粒子物理学_宇宙起源

释放双眼,带上耳机,听听看~!

天体一粒子物理学_宇宙起源
“长期以来,这始终是我的一条格言:小事情是最重要不过的了。”
引自《身份案》
我已择要概述了宇宙学家们发现的有关宇宙的某些事情,以及他们希望解答的某些问题。制约我们周围一切事物的因果链肯定了这一点:如果我们想要“解释”有关宇宙现状的某些事情,例如星系为何具有那样的形状和大小,那么我们就必须回顾过去,并追踪导致星系形成的一系列事件的证据。这就是宇宙学家们为什么总是对过去如此专注的原因:它是我们理解现在的关键。归根到底,那种专注使他们能勇于正视在宇宙起源问题上所处的进退维谷的境地。
我们逆着时间回溯,利用在密度和温度确定的条件下物质有何表现的知识,来再现宇宙过去的历史,依靠过去的事件留存于宇宙中的片断证据来检验我们的演绎推理。遗憾的是,事情并不那么简单。宇宙非常有效地覆盖了早先的痕迹,远古时代留存下来的原始遗迹简直微乎其微。然而最根本的是我们并不知道在极端的温度和密度下物质所能表现的一切行为。地球上的实验受到投资、规模以及可行性的限制,不可能充分地模拟宇宙膨胀史上最初百分之一秒期间所经历的种种条件。
这造成了某种非常引人入胜的态势。宇宙学家们指望基本粒子物理学家能阐述物质和辐射在非常高的温度下的表现,这样他们就能继续重现更接近于表观开端的宇宙既往史了。另一方面,粒子物理学家们却无法利用地球上的资源来做这件事。地球上的加速器既不能再生大爆炸的能量,他们的探测器也不能捕获那些最难捉摸的物质基本粒子。因此,粒子物理学家又指望宇宙的早期能成为检验其理论的一条阳关大道。如果他们将物质的所有组成成分统一为某种单一模式的最新方案导致一个收缩的宇宙,或者导致一个恒星不能存在于其中的宇宙,那么这种方案即可予以排除。然而,你可以看到人们正在实施某种非常微妙的平衡技巧,其中需要用到仅仅部分地(甚至全未)受过检验的物理学,以勾画出宇宙历史上最初一秒钟的可能状况。
你最好把“一秒钟”看作宇宙史上的一道分水岭。在此时刻以后,我们相信宇宙中的温度已经低到足可运用业经地球上的实验尝试与检验确立的物理知识,以获得一幅良好的宇宙态势鸟瞰图。但是在一秒钟之前,我们却对完整地重建主宰宇宙进程的物理过程与基本粒子无能为力,这就使我们再现的宇宙史有了不确定性。一秒钟又是我们业已观测到从宇宙早期留下了原子核的最早时刻。这并不意味着我们了解宇宙年龄大于一秒之后所发生的一切事件。诚然,我们了解在一秒钟之后制约宇宙中各种成分行为的一般物理原理和定律,但是,尽管如此,仍有许许多多与星系形成相关的极其复杂的事件,乃是我们必须详尽地再现的。这很像我们对于天气系统的了解。我们知道制约天气的全部物理学原理。你给出过去任意一系列的气候变化,我们都能对它作出解释。然而,我们却不能肯定地预言明天的天气,因为有无数的

 
 

《身份案》,福尔摩斯探案之一。此处引文为该案中福尔摩斯对其委托人玛丽·萨瑟兰小姐所言,后者
提到了一些“小事情”。“小事情”原文为 little things,转义“小东西”,此处借喻本章所述的基本粒子
至为重要——译者 因素在非常复杂而敏感地相互影响。它们共同决定着天气的现状。由于我们无法尽善尽美地获悉此种状况,所以我们的预报能力就受到了限制。
20 世纪 80 年代,对于构成物质的大多数基本粒子的研究,开始与天文学和宇宙学联系起来。经常发生这样的情况:倘若存在某种新型的亚原子粒子,即使其影响弱得连地球上的粒子对撞机实验都显示不出来,却有可能在天文学上造成种种后果。这样人们就可以利用天文证据来排除许多新型基本粒子存在的可能性。
位于日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)的高精度实验结果,与宇宙学对宇宙史上最初几分钟内的核反应研究,这两者之间的相互影响为宇宙学和基本粒子物理学研究的共生关系提供了一个非常精彩的例子。在这两方面的研究中,每一方都可以告诉我们被人们称为“中微子”的那类基本粒子具有多少不同的品种。中微子宛若“幽灵”,它在放射性衰变中出现。它们不受电力或磁力的影响,甚至也不为核力所左右。其结果是,它们与今天一切形式的物质的相互作用都极其微弱,以至人们几乎无法探测到它。事实上,就在这一瞬间,就有许许多多的中微子正在穿透你的大脑!有两种中微子是物理学家们早就知道的——电子中微子和μ子中微子,人们已经在无数次的高精度实验中探测到了它们。第三种中微子,即τ子中微子,只是通过其他粒子的衰变才间接揭示了它的存在;但是,产生这种中微子所需的能量极高,以至人们迄今尚未直接探测到它。这就提出了一个问题:我们能不能肯定这第三种(τ子)中微子当真存在?还有没有我们尚未见到的其他品种的中微子?到目前为止,还没有一种中微子理论对应该存在多少不同的中微子作出过预言或解释。我们还得拭目以待。
我们首先来看一下,我们对宇宙既往史的再现,如何使我们能将天文观测用来计算不同中微子的品种数目。然后我们可以将此结果与近来 CERN 直接测量中微子品种数的实验相比较。
自从 20 世纪 70 年代以来,宇宙学家们一直假设存在着、而且仅仅存在着 3 种中微子(电子型的、μ子型的以及τ子型的),并在阐明宇宙年轻时代组成成分的主要理论模型中,将其作为一个具体构成部分。对于宇宙学家说来,知道自然界存在多少种中微子是非常重要的,因为这能确定极早期宇宙中辐射和物质的总密度,并能决定宇宙膨胀的速度。他们将这一信息应用于研究宇宙年龄介乎 1 秒与 3 分钟之间的时候宇宙中事态的详细进程。宇宙在其历史上的这一阶段中,热得足以发生使中子和质子聚合而产生某些最轻的元素的核反应。在更早的时代,温度实在太高,以至于那些元素刚一形成就会立即瓦解;在更晚的时代温度又太低,核反应就不会发生。
为了预言这些核反应的后果,我们需要知道能供核反应结合成不同原子核的质子和中子的相对数目。例如,氢核由单独一个质子组成;氖核是一个质子加上一个中子,氦核则可以由 2 个质子和 2 个中子(称为氦 4)组成,也可以由 2 个质子和 1 个中子(称为氦 3)组成。当宇宙比 1 秒钟更年轻时,应该存在着等量的质子和中子,因为那时发生的所谓“弱”相互作用使质子与中子互相转化,并使它们的数目保持平衡。但是,当宇宙年龄到了 1 秒钟时,对于质子和中子之间的这些弱相互作用来说,膨胀的速率就变得太大了,以至于不能再维持质子和中子的完美无瑕的平衡。这时,一个质子转化为一个中子要比一个中子转化为一个质子稍稍困难一些,这是由于中子要比质子稍重一些,因此产生中子就要求有更多的能量。当那些弱相互作用停止下来 时,留下的中子与质子的相对数目具有一个确定的比值——1 比 6。大约 3 分钟以后,核反应开始启动,使这些中子和质子聚变为氘核、氦核和锂核。全部物质中大约有 22%最终变成了氦,每个氦核则包含 2 个质子和 2 个中子。剩下的全部物质几乎仍保持为氢,仅有十万分之几属于同位素氦 3 和氘,还有百亿分之几归之于锂。
对宇宙各处的氦和氘、氦 3、以及锂等其他元素的天文观测,证实了上述丰度值的普适性。最简单的大爆炸模型和天文观测之间的一致性是很美妙的。事情很清楚,这种一致性是与自然界中仅仅存在 3 种中微子的假设联系在一起的。要是存在 4 种中微子的话,那么早期宇宙的膨胀速率就会增大,当弱相互作用停止时,相对于质子而言就会留下更多的中子;早期宇宙中最终得到的氦丰度也会相应地增加。人们正在进行顾及全部观测结果及其不确定性的非常详尽的研究。据称,不会存在与我们已知的那 3 种相似的又一种中微子。
CERN 的实验肯定了这一预言。它产生了极其大量的短寿命粒子“Z 玻色子”。每个 Z 玻色子大约比一个质子重 100 倍,它一旦形成便迅速衰变成其他较轻的粒子,其中也包括中微子。中微子的品种越多,Z 玻色子衰变的途径也越多,它们就会消失得越快。
CERN 的实验家们精密地监测了大量 Z 玻色子的衰变,从而能够非常精确地确定它们究竟衰变成了多少种不同的中微子。考虑到实验中的不确定性,所得的答案是 2.98±0.05。所以一定存在着 3 种中微子。
这是一个非常美妙的例子,它说明了粒子物理学和宇宙学可以如何地相辅相成,并增进人们对于整个宇宙以及构成它的基本粒子的了解。对轻核素丰度的正确预言乃是大爆炸宇宙图景的最大成功。这项预言对宇宙在其年龄为 1 秒钟时的结构的微小变化相当敏感,从而使我们能对宇宙当时可能是什么模样得出重要的结论。例如,倘若宇宙在不同的方向上以不同的速率膨胀,或者整个空间包含着强烈的磁场,那么膨胀的速率就会增大,氦的丰度也会比我们所见到的大得多。因此,今天对于太空中轻核素的天文观测,乃是探测宇宙仅仅膨胀了 1 秒钟之后可能呈什么状态的最有力的工具。它们对过去的回溯要比观测微波背景辐射更为久远;同时,它们又表明宇宙学家何以能对他们再现的宇宙早期史作出详细的检验。
对早期宇宙中的核反应所作的这些研究,还有一个重要特点,它展现了大爆炸宇宙模型的一个重要的总体特征。宇宙年龄介乎 1 秒和 3 分钟之间时出现的那些物理过程产生了更多的元素,它们的丰度并不依赖于人类对宇宙如何开端的了解程度。质子和中子的丰度仅由它们相互反应终止时的宇宙温度所决定,因为在此之前,任何东西部处于与其他一切东西相平衡的状态。这是热大爆炸宇宙的非常引人注目的特征。这种热的“平衡”状态保证了温度精确地决定着不同的物质粒子和辐射粒子的相对丰度。人们直到 1951 年才明白了这一点。在此之前,许多宇宙学家认为,想要解释由宇宙极早期阶段的核反应造成的元素丰度,就必须知道宇宙开初时质子与中子的相对数目。但事情并非如此。在宇宙年龄为 1 秒以前,由于高温的平衡,质子数和中子数是严格相等的。有些事情无论往昔如何,而今皆是如此。

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