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1、从无穷小到无穷大：宇宙新视觉 近年来，科学家已经绽开了对粒子物理、天体物理和宇宙学交叉领域的探究，全部这些努力都在逐步模糊粒子物理学或天体粒子物理学的界线。 向规模要效益 在阿根廷西部安第斯山脉旁边，一个扩散数一百零一千米的大草原被灌木和草场所覆盖，它或许是喂养牛羊的最佳地方，或许是拍摄西部电影的志向宝地，又或许是在一个风清月明的夜晚注视满天繁星、畅想宇宙奥妙之地。然而11010年诺贝尔物理学奖获得者、美国芝加哥高校的粒子物理学家詹姆斯克罗宁，为了捕获来自深空的粒子(这些粒子携带了比地球粒子加速器大几一百零一万倍的能量)却选择了这里以图解决天体物理学中一个长期悬而未决的问题。 克罗宁及其同事在
2、草场上铺设了1600个探测器(探测器之间相距1.5千米)，当宇宙射线冲入大气时，这些探测器便可以探测由此产生的雪崩粒子。假如像预料的那样，几年后他们就将发觉宇宙射线的源头。“目前还无法做到这一点。假如能做到的话那将是一个巨大的突破。”，克罗宁说。他因发觉在物质和反物质之间的微小不对称性而共享了11010年的诺贝尔物理学奖，也就是众所周知的CP破缺。忠实于物理学家所受的训练，克罗宁信奉一个简洁的信条：“向规模要效益。” 粒子天体物理学的进步不仅完善了粒子物理学，而且也变更了天体物理学和天文学。粒子物理学家已经习惯了在对撞机前从事大量的试验，他们把很多技术和试验方法引入了这个领域，从而使得该领域的
3、试验无论在尺度上还是困难度上都取得了长足的进步。“你正在为这个领域(天文学和天体物理学)引入所需的新文化和新方法。”美国芝加哥高校粒子物理学家布鲁斯温斯坦说，目前他从事大爆炸的余辉(宇宙微波背景辐射)的相关探讨。 然而，粒子天体物理学能否持续旺盛则依靠于安排中的试验是否能得出有希望的发觉。事实上，一些人指出，这个领域的将来可能部分依靠于大型强子对撞机的新发觉。 宇宙之关联 就天体物理学而言在某种程度上粒子物理学正在重返过去。1932年。物理学家通过宇宙射线首次发觉了反物质反电子，或称为“正电子”。几年之后，他们发觉了超出组成我们日常生活物质的第一种粒子d介子(粒子天体物理学从空间上已经超出了粒
4、子的探讨范畴)，把粒子物理学的探讨领域变成了宇宙学和天文学的领域。在这个领域中，尽管粒子物理学家有时看不到任何粒子，但他们却正在追逐宇宙中最奇妙的画卷。 大多数物理学家认为这一领域的发展可以追溯到20世纪七八十年头的宇宙学和粒子物理学概念的连接。如理论物理学家们意识到了宇宙中氦的丰度给中微子种类设定了限制(现在发觉有3种中微子)；而当触及大爆炸理论时，一些物理学家则留意到CP破缺也许说明了为什么宇宙包含了如此多的正物质和如此少的反物质。 如此的联系使得粒子物理学和宇宙学变得无法区分，以至于欧洲核子中心的理论物理学家乔纳森埃利斯发觉，很难区分什么时候他写的是有关粒子物理方面的文章，什么时候又是有
5、关宇宙学的文章。而受到近些年重大发觉的影响，许多原先从事试验的科学家已经加入到了粒子天体物理学的行列中。 另一个领域是通过探讨远距离恒星爆发来追溯宇宙膨胀的历史。19101年，两个小组分别独立地报告了最远的超新星要比所预料的还遥远，从而显示了宇宙的膨胀是加速的。这一惊人的发觉表明白某种奇妙的“暗能量”充溢了整个宇宙空间。2003年，依据NASA的威尔金森探测器的观测数据，科学家支持了上述革命性的观点通过分析宇宙微波背景辐射的微小温度改变，发觉宇宙中有7的暗能量、24的暗物质和仅仅5的一般物质。 伯克利国家试验室的粒子物理学家纳塔利罗说，暗能量和暗物质的概念已经点燃了科学家想象的火种，“既然已经
6、意识到夸克仅占宇宙的5，我想他们很自然地要问余下的95是什么。所以对于粒子物理学家而言，暗能量和暗物质是进一步探寻的目标”。 起先行动 当科学家说明“转行”到粒子天体物理学时，绝大多数人表示，他们是被这一领域的迷人前景所驱使。“在标准模型被最终敲定和论证以前，粒子物理学领域是最令人兴奋的。”美国理论物理学家史蒂文温伯格说。其11019年因在标准模型上的贡献而获得了诺贝尔奖，目前正在从事宇宙学的探讨。“在宇宙学里，很多问题更加开放。” 纳塔利曾花费10年时间探讨夸克的性质。她认为，当探讨者不知道从试验中能期望得到什么的时候，就须要拓展新的领域了。还有其他科学家表示，他们转向粒子天体物理学是为了寻
7、求一个更加相宜的工作环境。华盛顿天主教高校的粒子物理学家丹尼尔阿克里波说，他之所以离开了对撞机探讨，是想在新的领域中有更多亲身实践的机会。现在他加入了低温暗物质搜寻安排的探讨中。 美国的大卫西纳博曾在费米国家加速器试验室工作，但2022年美国能源部突然终止了这个项目，使他面临着进退两难的境地。西纳博本可以参与LHC的探讨，然而他却加入了斯隆数字巡天这一全新的天文学尝试(运用2.5米光学望远镜绘制14天区中的全部天体)。西纳博现在正从事超新星和暗能量的探讨。“似乎又回到了高校时代，就像刚进入高校的学生一样无知。”尽管如此，他还是为他的确定感到兴奋。 而少数几个科学家表示，他们从事粒子天体物理学的
8、探讨纯粹是为了新奇。“对我而言，这是一个不花钱就能去南极探险的机会。”美国的大卫贝森开玩笑说，他目前正在南极从事中微子探测器原型机的探讨。在南极麦克默多考察站的电话采访中贝森说，探测宇宙中粒子撞击冰面所产生的射电信号是一件浪漫的事情，“这就像把你带回到了5岁大的时候，充溢了新奇，但是在我成长的新泽西州是无法做到这一点的”。重组设备 随着对粒子天体物理学探讨的深化，经费也注入到了相关的探讨领域。如2000年美国国家自然科学基金会设立了一个粒子和天体物理学项目，现在每年有1600万美元的预算。从11014年至今，英国在为粒子物理和天文探讨委员会正常拨款的同时，还另外为粒子物理学、粒子天体物理学和天
9、文学供应了经费。然而，正如粒子天体物理学的发展扩充了粒子物理学的探讨范围一样，也由此变更了天文学和天体物理学。 明显，粒子物理学家还带来了通往新的探寻之路所必需的技术。如NASA放射的射线大视角空间望远镜，给天文学家打开了一扇能窥视宇宙甚高能量光子的窗口。或许更为重要的是，粒子物理学家对把技术、管理和资金推向极限的大项目宠爱有加。“他们是那些习惯于对大事毫不惧怕的人。”在2003年10月2022年4月间任美国国家自然科学基金会数学和物理学理事会副主任的芝加哥高校宇宙学家迈克尔特纳说。随着粒子物理学家进入了天体物理学和宇宙学的领域，他们“向规模要效益”的风格正在加速项目规模的增长。 然而当粒子天
10、体物理学发展之时，一些探讨者对将来忧心忡忡。NASA的粒子物理学家、GLAST项目科学家史蒂文里茨担忧，粒子天体物理学的兴起会冲击地面加速器安排。“有时候，一些项目所传达的意思是没必要建立地面加速器，因为这在太空中就能做到，但是这并不正确。”受此影响，有些对撞机项目被喊停了，尤其是在美国。 最糟糕的是，粒子天体物理学的将来依靠于目前安排中的试验发觉。斯坦福高校理论天体物理学家罗杰布兰德福认为，首要的大型试验将来自于对暗物质的探测。“我们预先设想了暗物质是由超对称粒子组成的，但是我们可能完全错了。”假如假设是正确的，发觉了超对称粒子，粒子天体物理学的探讨前景将日渐光明，反之，则会暗淡无光。 而目前，从事粒子天体物理学的科学家正为置身于如此年轻、充溢活力的领域而乐此不疲，其间充溢了重大发觉的期望。 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页