你對(duì)黑洞產(chǎn)生行星大小的漩渦狀粒子云的想法會(huì)做出什么反應(yīng)呢？這些粒子可能是被認(rèn)為是將星系連接在一起的暗物質(zhì)。當(dāng)我們?cè)诩幽么蠡F盧外圍理論物理研究所的辦公室見(jiàn)面時(shí)，阿西米娜·阿爾瓦尼塔基（Asimina Arvanitaki）告訴我“一開(kāi)始，我們認(rèn)為這是荒謬的?！?/p>
但這類(lèi)東西是阿爾瓦尼塔基的特長(zhǎng)。作為阿里斯塔丘斯理論物理主席，她通過(guò)接受被忽視的想法（不管聽(tīng)起來(lái)多么離譜），然后設(shè)計(jì)出精巧、廉價(jià)的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)這些想法，從而使自己名聲大噪。
在許多人似乎越來(lái)越難在理論物理和實(shí)驗(yàn)中找到匹配的想法的時(shí)候，她的訣竅，再加上她偏離既定道路的傾向，這些都讓阿爾瓦尼塔基與眾不同。
她想不起自己決定花一生時(shí)間與宇宙的奧秘作斗爭(zhēng)的時(shí)刻，但她還記得小時(shí)候在希臘時(shí)，她發(fā)現(xiàn)了光速的價(jià)值。她說(shuō)：“我計(jì)算過(guò)，光從太陽(yáng)傳到地球需要8分鐘，然后我意識(shí)到，我們總是看到過(guò)去的事情，我們永遠(yuǎn)看不到現(xiàn)在?！?/p>
她喜歡太空，但她也喜歡汽車(chē)，高中時(shí)她必須在工程和物理之間做出決定。“我意識(shí)到，我更感興趣的是理解事物為何運(yùn)作，而不是如何運(yùn)作?！?/p>
這些天，她的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)一些真正的怪異的東西。盡管我們對(duì)物質(zhì)及其工作原理的最好描述是一項(xiàng)偉大的成就，描述了在一組整齊的方程中所有已知的粒子和四種基本力中的三種，但它遠(yuǎn)不是完美的。我們稱(chēng)這幅景象為標(biāo)準(zhǔn)模型，但它與重力或暗物質(zhì)無(wú)關(guān)。它也不能解釋為什么重力如此微弱，以至于每次你拿起一杯水時(shí)，你都能克服整個(gè)行星的引力。
粉碎物理學(xué)
對(duì)這些奧秘的暗示是來(lái)自于瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的物理實(shí)驗(yàn)。歷史上，制造能以更高的能量將粒子粉碎的機(jī)器總是會(huì)帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)。該領(lǐng)域的許多人相信，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將通過(guò)尋找超對(duì)稱(chēng)性的證據(jù)來(lái)仿效這一想法，這種優(yōu)雅的想法幾乎可以解決所有問(wèn)題，包括暗物質(zhì)的奧秘。但這并沒(méi)有成功，導(dǎo)致一些人質(zhì)疑我們?nèi)绾巫龀鲞@樣的推測(cè)，而另一些人則要求制造一臺(tái)更大的對(duì)撞機(jī)。
但是阿爾瓦尼塔基也有其他的想法。她說(shuō)：“我們知道，作為年輕人，大多數(shù)關(guān)于它可能發(fā)現(xiàn)什么的好想法都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。我們不想反悔?！庇谑?，時(shí)任加利福尼亞斯坦福大學(xué)研究生的阿爾瓦尼塔基開(kāi)始著手圍繞物理提出的實(shí)體，這些實(shí)體不可能在對(duì)撞機(jī)上顯露出來(lái)。
她被吸引到軸子上，這是20世紀(jì)70年代提出的一種假想粒子，用來(lái)解決一個(gè)被稱(chēng)為電荷宇稱(chēng)問(wèn)題的謎團(tuán)。超輕，他們沒(méi)有電荷，但產(chǎn)生了一個(gè)全新的力量。它們是暗物質(zhì)的一個(gè)很好的候選者。問(wèn)題是，它們所攜帶的力與其他粒子的相互作用是非常之弱，以至于它們永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上。這或許可以解釋為什么軸子不受青睞，這一點(diǎn)以及重量級(jí)粒子從超對(duì)稱(chēng)性中自然產(chǎn)生的事實(shí)，鼓勵(lì)科學(xué)家建造復(fù)雜的探測(cè)器，試圖將它們趕出來(lái)。
然而，在2010年，阿爾瓦尼塔基和她的同事們發(fā)現(xiàn)了一種方法，通過(guò)把弦理論加入其中來(lái)復(fù)活軸子。這個(gè)完整的弦理論的一些版本在10個(gè)維度中運(yùn)作。我們認(rèn)識(shí)之外的六維度必須以精心設(shè)計(jì)的方式收攏，以適應(yīng)難以想象的狹小空間，否則我們就會(huì)看到他們。按照阿爾瓦尼塔基的說(shuō)法，正是這種豐富的、額外的維度結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了各種超輕型軸子的產(chǎn)生，她稱(chēng)之為弦公理。
“我們認(rèn)為粒子很小，但從理論上講，它們可以和星系一樣大?！?/p>
讓我們回到行星大小的粒子。當(dāng)阿爾瓦尼塔基寫(xiě)出弦公理的想法時(shí)，一位來(lái)訪的同事問(wèn)她是否聽(tīng)說(shuō)過(guò)黑洞的超輻射。她并沒(méi)有。然而，一旦她花了一年的時(shí)間來(lái)考慮這個(gè)想法，她意識(shí)到，如果軸子真的存在的話，這可以給我們一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)來(lái)發(fā)現(xiàn)他們。
超輻射是在某些類(lèi)型的激光中用來(lái)倍增光子的一個(gè)成熟的過(guò)程。它也適用于天體物理尺度。基本上，如果你有一個(gè)光粒子，然后你向一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞發(fā)射它，它就會(huì)從黑洞中提取能量和角動(dòng)量?，F(xiàn)在，如果你做同樣的事情，但是把無(wú)質(zhì)量的光子換成一個(gè)有質(zhì)量的帶力粒子，比如軸子，引力就會(huì)把它限制在黑洞附近。在這種情況下，幾乎就像這些軸子粒子被卡在黑洞和一個(gè)完美球面鏡的表面之間。
阿爾瓦尼塔基說(shuō)：“現(xiàn)在，軸子從旋轉(zhuǎn)的黑洞中散射出來(lái)，但隨后又不斷地來(lái)回反彈，最終放大成指數(shù)級(jí)。”她補(bǔ)充說(shuō)，在這個(gè)超輻射的版本中，將會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的軸子云，這些軸子將以一種有序的方式排列，很像那些原子軌道的照片，只是規(guī)模很大”。
問(wèn)題是，要制造這些“黑洞原子”，軸子波長(zhǎng)必須和黑洞的寬度一樣長(zhǎng)。但這在這里不是問(wèn)題，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)與質(zhì)量成反比，而對(duì)于軸子，我們談?wù)摰氖欠浅］p的粒子。阿爾瓦尼塔基說(shuō)：“我們傾向于認(rèn)為粒子很小，但從理論上講，它們也可以像星系那樣大?！?/p>
所有這些都是眾所周知的，至少對(duì)少數(shù)人來(lái)說(shuō)是這樣。阿爾瓦尼塔基和她的同事最近發(fā)現(xiàn)，這些軸子云可以在引力波中顯露出來(lái)，引力波是2015年激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)(LIGO)首次探測(cè)到的時(shí)空中微弱的漣漪。在這種情況下，你不需要黑洞撞擊在一起。在云中相撞的軸子應(yīng)該會(huì)互相湮滅，產(chǎn)生引力子，而引力子被認(rèn)為是構(gòu)成引力波的粒子。從本質(zhì)上講，軸子和黑洞結(jié)合在一起產(chǎn)生了戲劇性的效果，產(chǎn)生了阿爾瓦尼塔基所說(shuō)的“引力信標(biāo)”，它們向各個(gè)方向閃耀著。阿爾瓦尼塔基一直在與LIGO的研究人員合作，為探測(cè)器的第三次運(yùn)行做準(zhǔn)備，該探測(cè)器于今年4月開(kāi)始，很快就探測(cè)到了引力波。預(yù)計(jì)每隔幾個(gè)星期就會(huì)找到一些引力波。
阿爾瓦尼塔基是新一代粒子物理學(xué)家中的一員，他們不是通過(guò)發(fā)明更復(fù)雜的理論，而是通過(guò)找出在哪里以及如何尋找新的東西來(lái)實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)。她說(shuō)：“當(dāng)大自然告訴我們它沒(méi)有按照我們認(rèn)為的方式工作時(shí)，我們必須朝其他方向看。”
聯(lián)系客服
