已知之未知与未知之未知

已知之未知与未知之未知

        世界上最大的科学仪器将要开始运行。但，它也只能触摸到宇宙的皮毛。

        诸位，它要开始运转了！得，超过10年的努力，100亿瑞士法郎（100亿美元）的投入，以及历经无数束手无策的夜晚，8月8日，第一批质子将以旋转姿势进入大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)。这些质子只是用于测试，但经过数月测试结束后，粒子粉碎实验将正式开始。位于日内瓦附近的这座巨型机器LHC对于它的朋友来说，早已如雷贯耳。它正式开始运转的时刻，是个标志性的时刻，标志着已经停滞了25年的粒子物理将进入一个崭新的发展时期。此间虽然物理学家一直在理论推导上笔耕不止，但是事实是，最新发现的亚原子基本粒子，W和Z波色子，是在1983年。

        除非现有的粒子物理理论是错误的，下一个待发现的将是希格斯波色子(Higgs boson)，它的理论作用是把质量赋给其他物质组成粒子。该发现应该很快的。如果不是这样，人们又要开始挠头苦思了。

        可物理学家把100亿瑞士法郎砸进去可不光是为了寻找单个粒子。他们希望LHC能引导他们超越方程所预测的W和Z波色子或者预测希格斯波色子，进入完全不可知的世界。正如描绘在中世纪地图边白处的奇怪生物，未知世界的情形是观测和猜测的混体。它们中的一些是有准确预测，并且很可能得到精确的描述。然而，其他一些，目前人们所知也就是把一些难以察觉的东西加上个名字而已。

加码还是退出

        微观世界物理需要大型机器：LHC是个周长27公里（17英里）圆环状装置。机器本身就耗费了50亿瑞士法郎，这还不包括隧道的费用，这个隧道之前用于容纳一个粉碎电子（以及电子的反物质同类物质）的早期设置，不是用来粉碎质子的。四个间隔分布在圆环各处的粒子探测实验装置耗费了另外50亿。从某种意义上说，进入我们观测视野的物质，一点都不小。实际上它就是一个完整的宇宙，或者说，它是宇宙的基本组元。

        目前，列上日程的待观测粒子共有17种：16种是已知的，另1种，也就是对希格斯波色子预测做验证。这些粒子，跟把它们联系在一起的理论，称为标准模型（见表格）。这个模型中某些种类是为人熟知的了。比如电子，便是其中之一；另外还有质子，光子。夸克是质子和中子的组成粒子，也是更为奇异的物质。然后还有中微子，W和Z波色子，类电子的μ粒子和τ粒子，还有胶子——它的作用是将夸克聚合成团。胶子因此提供了所谓的强相互作用力，而W和Z波色子提供了弱相互作用力，它决定了某些放射性反应特性。光子提供了电磁相互作用力，这种力广泛存在，从决定指南针的指向到阻止固体物质因吸引而坍塌。

        遗憾的是，目前在表格中还没有第四种力，引力的位子。但也许应该有。LHC找到希格斯波色子之后的一项任务就是寻找困扰人们许久的引力子，除非物理学家们都是错的，否则如同胶子、W和Z波色子和光子各自扮演的角色一样，必然也存在相应的粒子以传导万有引力作用。

        找到引力子将是真正的突破。它有助于弥合两大物理理论——量子力学和广义相对论——之间的鸿沟。前者描述了电子、夸克等等微观世界的行为，并导致了标准模型的诞生。后者是引力理论，认为引力自身扭曲了空间。

        另外一个对未知世界的突破是找到称为neutralinos的粒子。这些粒子是目前还是假说的超对称世界的存在的证据。通过更加复杂化基本模型，基于超对称的模型意图简化事物。该理论要求标准模型中的每个粒子均有目前无法检测到的配对子，平衡它们的特性，以符合数学模型的完美性。物理学家喜欢超对称性，虽然它使得基本粒子数目加倍，但是引入新的数学对称性后，可以消除掉现有模型里不够严谨的部分。其中之一便是希格斯波色子的任意的附属特性。在超对称的数学模型中，希格斯粒子的出现是自然而然的。

        大部分超对称配对子都是短寿命的重粒子。但neutralino可以不确定性地存在。令人疑惑的是，neutralino并非标准模型表格中某个基本粒子的配对子，而是数个基本粒子的对应的配对子的杂合物。人们对它兴趣斐然还有另外一个原因，它居然不受电磁力作用影响，换句话说，它是暗物质。

        这非常重要，因为如果用望远镜观测宇宙，大多数宇宙中的物质是看不到的。可见的物质只占宇宙4%，另外22%是暗物质。暗物质无法直接观测，但是可以通过引力作用感知它的存在。剩下的74%是暗能量，它的存在只能从它在宇宙中的作用推断，暗能量的作用与引力作用相反：它使得宇宙不断扩散膨胀。

串接事实

        许多物理学家怀疑，相当数量——很可能是全部——的暗物质都是由neutralinos构成。 如果满足了如下两个条件，那验证这个推测将是比较容易的：（1）物理学家们能确保超对称粒子的存在；（2）他们知道关于neutralinos的确切的实际特性，而不是必须做一些有根据的数学推测才能获知。

        目前，确信暗物质存在的主要依据是基于一个事实：自旋星系如果没有暗物质将四处飞散。通过望远镜观测到的星系——可见的星星和气体——实际上正处于一个更大结构的中央。它的外围被扩展分布的暗物质环所围绕。实际上，暗物质的分布如同脚手架，可视星体在其上分布。当宇宙演化到离今天一半的时间的时候，暗物质形成一种松散的丝格状结构（状如棉絮中的细丝），遍布整个宇宙时空。从那之后，在引力的作用下，它慢慢聚集成快。可视物质也在暗物质丰富的地方聚集起来。结果是如今的宇宙看上去就像一块海绵。

        偶尔这种结构也会裂解。如果两个星系碰撞，理论上的结果提出他们的暗物质和可视物质可能会分离——碰撞之后大量物质引发的引力扭曲效影响了星体发出的光在地球上的成像观测结果，从实践上，也揭示了事情的确如此。引力透镜在没有可视物质的区域存在，正因为引力透镜的存在从而也感知了这些扭曲物质的存在。

        这些观测，包括neutralinos存在的可能性，意味着暗物质看上去像是一个已知的未知，我们知道它的存在，但是却知之甚少。我们有一个关于暗物质特性的似是而非的理论，也有合理的机会去检测理论的准确性。但是，暗能量却是一个未知的未知。

        我们相信暗能量的存在是基于一个对比。通过天文望远镜，我们可以观测到远古超新星的发光度，但是这个实际观测的发光度却与我们的预期值不同，这意味着宇宙在某种物质的作用下膨胀速度要比大爆炸理论推导的速度大。这种x物质必须是以能量的形式存在，其数量可以根据引发的效应理论计算出来。正是计算结果表明暗能量占据了宇宙的74%。然而暗能量是什么，仍然是个谜。也许希格斯波色子能启示我们解开谜底的办法，当然这仅仅只是可能而已。也许可能性更大的是这是无稽之谈。

        还有其他未解之谜有待LHC去解决。其中之一就是物理学家们希望有朝一日能发展出来的“万物理论”。直到最近，人们才一致同意它应该是某种类似超弦理论的物理理论。超弦理论认为宇宙实际上是11维的，而不是我们所熟悉的4维（长度、宽度、高度和时间）。另外7维很微小（一个可以类比的例子是纸面，通常认为是2维的，虽然它还是有厚度的，所以还是3维的）。在弦论中，粒子是做振动运动的多维“弦”。振动的模式决定了粒子的性质。

        然而最近，弦理论遇到了一个劲敌：圈量子引力理论。这个理论认为粒子的时空不可分割。更恰当地说，时空是由圈状带组成，当圈状带以某种方式纠缠一起时，引起的不规则分布就是人们所感知的粒子。但是这方面的相关实验设计已经超出了LHC的能力。

        如果一切进展顺利，LHC应制造出一些微型黑洞，以验证这个著名的已知之未知。但是不用担心，这些微型黑洞不会吞噬地球。因为它们持续的时间很短，不足以做到吞噬地球。实际上，它们将蒸发掉时发射出的能量称之为霍金辐射，根据还活在世上的著名科学家斯蒂芬霍金命名。

        我们确信无疑必然发生的是，如果霍金辐射真的探测到了，那么提出这个理论构想的人必将获取当年的诺贝尔物理学奖。这个奖项不颁发给未经验证的理论。理论必须通过实验验证。如果它真的存在，那么诺将委员会不可能让霍金博士等待这个当之无愧的盛誉太久。如果说物理学里面还有什么可以确信的，那就是它了！