当今物理学理论与技术的前沿阵地

物理理论开始陷入困境。科学家认为下一个重大突破可能来自他们正在进行的实验。以下七个实验可能会引发物理学风暴，彻底改变物理学面貌。当然，这些实验都是科学的“巨人”，并将变得越来越庞大。大型强子对撞机(LHC)的希格斯玻色子(也许)在科学家的控制之下，但是花费了无数人的心血和金钱的LHC可能给人类带来更多。今年2月14日，欧洲核研究中心(CERN)的科学家宣布，LHC将进入为期两年的停堆维护期。他们将在未来两年内对该设备进行彻底的维修和升级，希望它能够突破迄今为止碰撞能量高达8eV的限制，并以14TeV的初始设计能量进行碰撞实验。这种碰撞能量应该足以产生下一代物理理论(如超弦理论)预测可能存在的粒子。然而，LHC也是一个碎纸机，需要巨额资金来保证。如果投入的资金没有给科学家带来预期的结果，那么他们可能会继续探索宇宙，测量宇宙射线或小原子效应，希望找到答案。普朗克探测器的大爆炸留下的辐射包含早期宇宙留下的重要线索。欧洲航天局(欧空局)在2009年发射的普朗克卫星描绘了早期宇宙最详细的“肖像”。卫星捕捉到的辐射足以让科学家测量宇宙的质量，而无需做任何理论假设。这也足以让科学家探测宇宙波中的波纹，并测试各种膨胀模型，这些模型认为宇宙在宇宙大爆炸期间一直在膨胀。普朗克卫星捕捉到的早期宇宙图像甚至可以让科学家研究标准模型以外的理论模型(如平行世界)。高级激光干涉引力波观测站的广义相对论预测，空间和时间的波动应该继续在宇宙中移动。从2014年开始，位于美国的高级激光干涉引力波天文台(一种引力波探测器的升级版本)将使用一个几千米长的激光“标尺”来跟踪空间抖动(相当于地球向太阳移动的单个原子直径的十分之一的距离)。如果探测器能找到什么，那将是爱因斯坦在相对论中的最大胜利。如果探测器没有发现任何东西，科学家将不得不从引力理论重新开始，为宇宙建立新的规则。激光空间干涉引力波探测器LISA对脉冲双星的观测是间接证实引力波存在的有力证据。然而，从宇宙深处直接观测引力波从未实现，这已成为相对论研究前沿的主要课题之一。相当数量的地面引力波探测器已经投入使用。最著名的是地球600、LIGO(包括三个激光干涉引力波探测器)、TAMA300和VIRGO。然而，由美国和欧洲共同开发的空间激光干涉探测器LISA目前正处于开发阶段。它的第一个测试项目LISA探路者于2009年底正式启动。引力波的探测将大大拓展基于电磁波观测的传统观测天文学的视野，人们可以通过探测到的引力波信号了解其波源信息。这种从未被真正理解的信息可能来自致密恒星，如黑洞、中子星或白矮星，可能来自一些超新星爆炸，甚至可能来自宇宙诞生初期飞速发展时代的一些印记，如想象中的宇宙弦。激光空间干涉引力波探测器欧洲航天局的新引力波观测站(非*组织，以前称为"激光干涉空间天线")目前正处于开发和研究阶段，其第一个测试计划" LISA路径探测器"(LISA Path Finder)将于2014年底前正式启动。探路者程序还可以确认广义相对论中所有与重力相关的描述是否都是真实的。此外，该装置将阐明当重力加速度通过“鞍点”(地球和太阳的重力相互抵消)时，爱因斯坦的理论是否仍然成立。如果是这样的话，这些引力间隙将成为其他当前流行的理论的“墓地”，例如修正的牛顿引力理论(MOND，由以色列科学家莫德·米格鲁姆在1981年提出来解决暗能量和星系旋转的问题)。今年是80年来第一次假设暗物质存在。80年后的今天，我们仍然没有揭开这种难以捉摸的物质的“神秘面纱”。该理论指出，星系和星系团都包裹在暗物质粒子的巨大云(晕)中，这些粒子被称为“弱相互作用大质量粒子(WIMP)”。科学家们花费了大量的金钱，使用了最尖端的设备，设计了许多极其精确的实验，希望从广阔的宇宙中找到这些狡猾的家伙。DAMA/LIBRA(碘化钠晶体暗物质搜索实验)、CoGeNT和CRESST(超导温度计探测低温下的罕见事件)是三个实验中最好的。据报道，这些实验似乎发现了一些被怀疑是暗物质的物质。此外，根据英国《每日电讯报》网站2012年7月8日的报道，欧洲粒子物理研究所称，其大型强子对撞机(LHC)发现了疑似希格斯玻色子的粒子，接下来将开始搜寻暗物质。为了实现这一目标，他们将花费12亿欧元升级LHC。事实上，DAMA实验之前声称他们已经探测到了这些暗物质粒子。DAMA实验位于意大利中部地下的格兰萨索国家实验室。科学家用25个总重量约为250公斤的超纯碘化钠晶体进行了实验。在过去的13年里，DAMA观测到的信号显示出季节性变化，夏季比冬季多。DAMA团队认为这种年度变化是由于地球围绕银河中心和太阳的轨道运动造成的。在北半球的夏天，围绕太阳的轨道运动导致地球高速冲进银河系中看不见的暗物质云，增加了WIMP撞击探测器的可能性。最近，其他两个合作项目CoGeNT和CRESST的观测结果似乎也支持DAMA的说法，但其他实验并没有检测到像DAMA实验那样的信号。目前，科学界尚未就DAMA、CoGeNT和CRESST是否真的观测到暗物质粒子，或者它们是否只是被一些鲜为人知的背景干扰而形成预期信号的幻觉达成一致。一些科学家也相信宇宙中没有所谓的暗物质。事实上，真正的问题是我们对正在寻找的暗物质知之甚少。我们需要更多的数据和其他实验来理解这些实验。中微子工厂中微子实验，例如在中国广东省大亚湾的实验，最终将产生我们无法预测的结果。科学家们还没有完全理解这种“魔鬼”粒子的特性。此外，这种粒子与其他粒子的相互作用太少。因此，要理解它们，需要大量的中微子。暴风女也许能解决这个问题。科学家称之为“工厂”，可以批量生产大量受控中微子束或反中微子束。这个工厂可能有助于科学家澄清中微子的性质和中微子的种类，以便最终解决这个问题。还有其他类型的非相互作用惰性中微子吗？量子理论在太空中发射数千公里范围内的光量子的实验到目前为止只证实了这些粒子之间惊人的相互关系和纠缠。当然，科学家对此并不满意。他们正在进行一些实验，通过卫星在几个大国之间发射光量子。这是在更大的空间距离内测试量子理论的第一步，在这个距离内，相对论的扭曲变得非常明显。这些实验也有一些附件，也就是说，科学家可以发现当量子理论与相对论碰撞时会发生什么。