《自然》雜志梳理了物理學、天文學和宇宙學中的一些發(fā)現(xiàn)——研究人員屢次任其自生自滅，卻發(fā)現(xiàn)它們總是“陰魂不散”。

當一項科學成果看上去展示出一些真正新穎的東西時，隨后的實驗應該或者證實它——使教科書重寫，或者證明它是測量異常或試驗錯誤。不過，一些發(fā)現(xiàn)似乎永遠夾在兩者中間。即便是努力重現(xiàn)這些成果，也幾乎沒有成效。歡迎來到“僵尸”物理學的世界。

在剛剛過去的萬圣節(jié)，《自然》雜志梳理了物理學、天文學和宇宙學中的一些發(fā)現(xiàn)——研究人員屢次任其自生自滅，卻發(fā)現(xiàn)它們總是“陰魂不散”。

“邪惡軸心”

被稱為宇宙微波背景輻射（CMB）的宇宙大爆炸暗淡余輝，在所有方向幾乎是一致的。從一點到另一點，它的溫度變化小于十萬分之一。宇宙學家預測這些微小的溫度差異是隨機分布的，但2003年，當美國宇航局（NASA）威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）衛(wèi)星測量CMB并在不同尺度上描繪出這些波動時，一些意想不到的模式出現(xiàn)了。一種神秘的冷斑隱藏在南半球天空；天空中大多數(shù)區(qū)域之間的波動比預想的小很多；而一些尺度上的波動看上去會沿著一個特定的方向排列，形成所謂的“邪惡軸心”。

一些科學家曾提出，這些特征可能是WMAP測量的“偽影”。然而，在WMAP以及隨后由歐洲空間局普朗克任務開展的進一步觀測中，這些異常現(xiàn)象一直拒絕離開。“我猜它們處于僵尸狀態(tài)已有10年的時間。”普朗克科學團隊成員、加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所宇宙學家Kendrick Smith表示。

在包括Smith在內的一些人看來，這些特征隨機發(fā)生的幾率或許比直覺認為的高，因為已被觀測到的那些僅代表了所有可能奇異現(xiàn)象的一部分。其他人則在尋找能解釋這些非期望模式的現(xiàn)象：尤其是冷斑同一個巨大的宇宙空洞有關。Smith介紹說，測量CMB極化的進一步試驗將擁有更高的精度，并且揭示誰是正確的。

季節(jié)性“幽靈”暗物質

就像一陣能穿透墻壁的妖風，銀河系中的暗物質能持續(xù)地從所有方向穿透地球，甚至是人體。這種物質被認為占據(jù)了約85%的宇宙物質，但從未被明確地探測到。不過，自上世紀90年代末，DAMA（位于意大利薩索山山下的洞穴地下實驗室）試驗的物理學家探測到擁有碘化鈉晶體的暗物質可能在發(fā)生相互作用。這些信號的強度依據(jù)季節(jié)模式發(fā)生變化，而這是可以預期的，因為地球圍繞太陽旋轉時，其速度相對于周圍的暗物質應當會發(fā)生變化。

不過，還有其他現(xiàn)象隨著季節(jié)而改變，并且可能產(chǎn)生虛假的結果。后續(xù)試驗幾乎全部毀滅了DAMA的探測——研究人員并未發(fā)現(xiàn)暗物質信號，或者發(fā)現(xiàn)的微弱跡象在很多人看來是沒有說服力的。然而，DAMA項目繼續(xù)積累證據(jù)，使認為暗物質已被探測到的觀點保持著活力。

沒有人對此項試驗正在探測到一種季節(jié)性起伏存有爭議。不過，這些變動是由暗物質還是其他東西導致的仍不清楚。在季節(jié)相反的南半球，兩項規(guī)劃好的試驗或許會帶來答案：一項名為DM-Ice的試驗將在南極冰層中展開，另一項則將在澳大利亞斯塔威地下物理實驗室進行。

發(fā)光的銀河傳奇

更多的暗物質在太空中顯露。2009年，兩位物理學家在來自NASA費米伽馬射線空間望遠鏡的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一種神秘的光。他們認為，這種電磁輻射可能是暗物質粒子在銀河系中心附近聚集然后相互碰撞摧毀的結果。它以γ射線形式存在，并且看上去超越了已知來源應當產(chǎn)生的物質范疇。

自此以后，一些團隊提出了針對γ射線的其他非暗物質解釋，最新的觀點是它來自死亡恒星的殘留物——脈沖星。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，暗物質解釋總是很快又“爬了回來”。過去幾個月里，荷蘭阿姆斯特丹大學理論天體物理學家Christoph Weniger在與別人共同撰寫的論文中展示了支持和反對暗物質來源的證據(jù)。“我只是想厘清正在發(fā)生的事情。”Weniger介紹說，目前他稍微傾向于脈沖星解釋。

加州大學爾灣分校物理學家Simona Murgia介紹說，費米團隊開展的一項期待已久的正式分析讓這種物質的來源再次懸而未決。“最終，我們也觀測到大量神秘的光。”Murgia說，“盡管我們無法確定它是否為暗物質。”

惡魔般的質子差異

考慮到質子是宇宙中最常見且被充分研究過的粒子之一，人們都期待物理學家能徹底了解它的大小。不過，2010年，來自德國馬普量子光學研究所的Randolf Pohl及其團隊測量了質子的半徑，發(fā)現(xiàn)其比此前預測的小4%。該團隊利用了一種新技術，即用被稱為μ介子的帶負電荷粒子替代氫原子中的電子，然后測量了將μ介子撞擊到單質子原子核附近較高能量軌道上所需的能量的細微變化。這種變化對質子的半徑很敏感，而比電子大200倍左右的μ介子使其測量起來簡單幾百萬倍。

2013年，另一項利用μ介子技術的研究證實了這種同此前對質子大小估測存在的差異。此前的測定涉及電子而非μ介子。研究人員試圖尋找μ介子技術的缺陷，但目前已經(jīng)放棄。“沒有人質疑這項試驗。”波蘭華沙大學理論物理學家Krzysztof Pachucki表示。

與此同時，也沒有人能找到基于電子的測量存在何種錯誤。“下一步要開展的一組試驗或許會解決這個問題。”伊利諾伊州阿貢國家實驗室物理學家John Arrington表示，“它是一個我們希望很快能打敗的‘僵尸’。”

邪惡的“我的上帝”粒子

超高能宇宙射線擁有的能量比最強大的人造加速器產(chǎn)生的粒子高出幾千萬倍，并且至今仍是個謎——并未有宇宙中的已知現(xiàn)象能產(chǎn)生它們。2007年，皮耶奧格觀測站似乎正走上發(fā)現(xiàn)這些有時被戲稱為“我的上帝”粒子的來源的道路。該觀測站的探測器散布在阿根廷3000平方公里的潘帕斯草原上。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些射線看上去集中在特定星系附近的“熱點”中。這表明，它們可能源自圍繞星系中心超大質量黑洞的過熱物質。然而，隨著觀測臺累積更多數(shù)據(jù)，這種聯(lián)系減弱了。

就在認為可能存在“我的上帝”粒子熱點的觀點似乎已被舍棄時，北半球的一個新熱點被一項由日本主導的、在猶他州進行的較小規(guī)模試驗探測到。然而，由于該試驗每年只能發(fā)現(xiàn)兩三次此類事件，因此找到答案可能需要一段時間。為加快速度，合作組計劃將望遠鏡陣列擴大近4倍，以覆蓋約2500平方公里的區(qū)域。該項目有望花3年時間完成。

“大G”常數(shù)的永恒波動

引力的強度到底是什么？令人吃驚的是，物理學家仍無法就“大G”常數(shù)的值達成一致。它在可追溯至1687年的牛頓萬有引力定律和愛因斯坦的廣義相對論中均占據(jù)重要位置。不同的試驗技術發(fā)現(xiàn)了截然相反的數(shù)值。而基于量子物理學的試驗的加入，似乎讓這種差異更加嚴重。

一項旨在使來自全球的實驗室聯(lián)手尋找解決方法的行動正在進行中。不過，美國國家科學基金會（NSF）原子、分子和光學試驗物理學項目負責人John Gillaspy認為，當前需要新想法。明年，NSF將資助一場頭腦風暴會議。屆時，來自不同物理學分支的研究人員將花一周時間試圖提出解決這種差異的策略。

有可能這種差異指向的不是測量問題，而是一些全新的東西。一些物理學家曾提出，不同技術會產(chǎn)生不同結果，因為與重力有關的物理學本身需要被修正。如果這樣，這只“僵尸”可能是一種經(jīng)過偽裝的美麗的新生命形式。（宗華）

《中國科學報》 (2015-11-09 第3版 國際)