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现代科学十大未解之谜上篇-科学探秘未解之谜

-|分类:科学探秘|2017-03-05 21:13:12|-

科学探秘未解之谜

TOP10

存在“最小粒子”吗?

在历史上很长的一段时间里,人们曾经认为物质、时间、空间这些东西是可以无限分割的。《庄子·天下》中这样说:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”用数学的语言来解释这段话,意思就是你可以把1尺长的棍子进行无数次对半分割,第一次对半分割得数是0.5尺,第二次是0.25尺,第三次是0.125尺……这个过程可以无限地进行下去。

公元前四世纪的希腊哲学家亚里士多德也认为,物质是连续的,人们可以将它无限地分割下去,我们永远也得不到一个不可再分割的“最小颗粒”。

但很早就有人怀疑“物质可以无限分割”的观念,希腊哲学家德谟克利特相信最小颗粒是存在的,他把这种粒子叫做“原子”。德谟克利特认为所有的物质都是由原子组成的,原子是一种不可穿透、不可分割的实体,一切原子都有着相同的性质,只是在形状、大小、重量、排列、位置上有所不同。万物有生有灭,但组成它们的原子却不会跟着毁灭,只会从死亡的物体转移到新生的物体身上。

后来科学家们的确发现了原子的存在,但它却不是最小的粒子,它由质子、中子和电子构成,质子和中子又由被胶子束缚着的夸克组成。

从目前的情况看,电子和夸克似乎都是最小的“基本粒子”。之所以说它们是基本粒子,是因为任何与这些粒子的结构相关的现象,在实验中都没有观察到,它们像是一个不可再分的点,而不像质子、中子、原子核和原子那样,有可测量的大小。

粒子物理学家们建立了一个标准模型,来解释目前已发现的所有粒子和它们之间的作用力。但并不像德谟克利特说的那样,只存在“原子”这样一种最小粒子,标准模型中包括了62种基本粒子,被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子刚刚被找到,这样标准模型中所有粒子的存在都已得到了证明。

然而这些今天被称为基本粒子的东西,就一定是不可再分的“最小粒子”吗?人们以前曾经认为原子是最小粒子,但后来发现它其实是个复合体。随着科技水平的提高,今天不可再分的东西,明天有没有可能发现它又只是个复合体呢?

这样的过程,有没有尽头呢?假如从量子论的角度来看,世界不是光滑的,在粒子世界中,物质、能量、时间、空间都表现出不连续的特征来,因而世界必定不可能无限分割下去,最小粒子必定存在。

但这种分割,到什么时候才是尽头,最小粒子究竟是多小呢?

TOP9

“超光速”存在吗?

在经典物理中,判断任何物体的运动状态,都需要选定一个参照物。对于同样的运动物体,假如选取的参照物不同,得到的结果就不一样。

按照这个思路,我们可以推测光速并没有绝对值。假如一束光向你照过来,初始速度为C,当你以速度V向着光源的方向运动时,那么以你为参照物,光速就会变成C V;而当你朝背着光源的方向运动时,你眼中的光速就应该是C-V。

如果情况是这样的话,那么就不存在“超光速”的问题了。

然而1886年,美国物理学家阿尔伯特·麦克尔逊和爱德华·莫雷进行了物理学史上赫赫有名的“MM实验”,有了一个惊人的发现:在地球朝着不同方向运动时,检测到的光速竟然没有丝毫变化。这意味着,经典物理学的推测完全错误,不管你是在朝着光源运动,还是在向垂直于光源的方向运动,或者在背着光源运动,你看到的光速丝毫不会发生变化,都保持着恒定的速度C。

后来爱因斯坦用“狭义相对论”解释了这一现象。爱因斯坦说,高速运动物体的时间流速会变慢,自身的长度会缩小,正是因为时间和空间存在这样的弹性,才导致不管你在哪里、从哪个方向见到的光,它在真空中的传播速度都是大约每秒30万公里,从来不会发生变化。

但相对论有这样一个前提:真空中的光速C是一个绝对量,是一切物体运动速度的极限,也是一切实在的物理作用传递速度的极限。爱因斯坦说,世界上不存在“超光速”的运动物体和信息传输,这是相对论的基石。

然而“超光速” 真的不存在吗?

相对论的这个前提,现在已经被量子论中的“EPR实验”推翻了。“EPR实验”是1935年爱因斯坦与两位同事发表的一个旨在推翻量子论“哥本哈根解释”的思维实验。爱因斯坦指出,假如哥本哈根解释是对的,那么分裂的两个小粒子之间即使相隔几十亿光年,也必定会存在某种即时联动,但相对论规定了任何信息的传输都不可能超过光速,宇宙中不存在超距作用的因果关系,所以小粒子之间超越光速的即时联动是根本不可能的,哥本哈根解释肯定有问题。

1982年,法国物理学家阿莱恩·阿斯派克特带领一个小组做了这个实验。它的结果意义是如此的重大,以至于被一些人称为“上帝的裁决”。实验结果竟然是爱因斯坦输了,事实证明分开的小粒子之间确实保持着一种微妙而神奇的联系,类似于超越时空的“心灵感应”,这种关联有一个拗口的专业名词叫“量子纠缠”。

“EPR实验”表明,确实存在超光速的信息传输。爱因斯坦搬起石头砸了自己的脚,他想用来否定量子论的思维实验,最后反倒成了否定相对论的武器,这真是一个天大的幽默。

除了存在超光速的信息传输之外,事实上超光速的运动速度也是存在的,例如电子表面的旋转速度就要高于光速。

超光速确实存在,相对论还能成立吗?

TOP8

“暗物质”、“暗能量”存在吗?

按照现有的科学理论,宇宙的构成可以分为三个部分:空间、物质和能量,爱因斯坦的引力理论——广义相对论,把这三者紧密联系在了一起。引力是卫星、行星、恒星运动的主要原因,一个物体施加给其它物体的引力大小,只取决于它们的质量和距离,因而只要观察物体在空间的运动,就可以计算出引发这一运动的质量大小。

比如在太阳系中,太阳质量所产生的引力,拖拽着各大行星绕着它转动。离太阳越近的行星受到的引力越大,保持轨道所需要的运动速度就越快。根据引力方程,只要知道了行星围绕太阳旋转的速度,以及它们之间的距离,就可以计算出太阳的质量;或者也可以根据后两者的数据,反过来计算行星的轨道。

广义相对论在计算太阳系各星体的质量和它们的轨道方面取得了成功。从理论上说,广义相对论的运用应该不仅仅适用于太阳系,同样可以扩大到星系层面,能用来解释星系质量与星系内恒星的运动速度之间的关系。因为一个星系中的大部分恒星都处在星系盘上,在不断地围绕着星系中心运动,这和行星在围绕着太阳转动没有什么两样。

然而问题出现了。在所有的观测中都发现了同样的情况,那就是星系的质量与星系内恒星的运动速度不匹配,根据引力方程计算的结果,星系必须拥有比现在大得多的质量,才有可能将这些恒星保持在它们现有的轨道上。这些质量到哪里去了呢?科学家们猜测,星系中应该存在着一类我们看不见的物质,那就是“暗物质”。

这些暗物质自身不发射电磁辐射,也不与电磁波产生相互作用,这样我们就无法感知到它,只能通过引力产生的效应猜测它可能存在。

“暗能量”的发现照样跟引力有关。人们想,从引力的角度来看,既然宇宙中的每一个部分都被其它部分吸引着,那么它应该能够遏制宇宙的扩张。然而我们观测到的事实却是,宇宙正在加速膨胀。这一事实暗示着,必定存在一种东西,在推动着宇宙的膨胀,它是不同于已知的物质、能量和暗物质的东西,人们把它称为“暗能量”。

对于暗物质是否真的存在,人们其实没有绝对的把握。因为还存在另外一种可能,那就是也许爱因斯坦的广义相对论,仅仅只是在太阳系内适用,一旦扩展到星系、星团甚至整个宇宙的层面,那就完全失效了。这种情况完全有可能出现,万有引力定律只是相对论这个更普适理论的一个特殊情况,说不定相对论本身也是如此,只是一个更大理论的组成部分?

同样地,对于暗能量是否真的存在,我们目前更是无法确认。

假如爱因斯坦的引力方程在整个宇宙中都适用,那么根据最近的测量,宇宙中仅有5%的物质和能量是常规物质,其余是23%的暗物质和72%的暗能量。也就是说,我们目前所能了解的只是宇宙5%的部分,对于其余绝大部分我们还一无所知。

暗物质与暗能量时刻都在提醒我们,我们对于世界的认知过分依赖于我们的感官和思维。假如有一种事物,既不为我们的感官所感知,又不与我们能感知到的事物之间产生相互作用,那么我们根本就不可能断定它是否存在。

暗物质、暗能量是否真的存在?世界上会不会有这样的事物,它虽然存在,我们却永远也无法感知?比如鬼魂、科技高度发达的外星人,还有上帝?

TOP7

为什么会出现“寒武纪生命大爆发”?

“寒武纪生命大爆发”通常被用来当作否定进化论的证据。

在《物种起源》一书里达尔文提到,自己的理论中存在几个很难解释的疑点:

第一个疑点是,如果物种是经过细微的渐变演化而来,那么

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