《自然》盘点既不能证实也无法搁置的六项研究

大自然已经梳理了物理学、天文学和宇宙学的一些发现——研究人员一再让它们自行发展，却发现它们总是“闹鬼”。

当一项科学成就表现出真正新颖的东西时，随后的实验要么证明它——重写教科书，要么证明它是测量异常或测试错误。然而，一些发现似乎总是被夹在中间。即使是复制这些结果的努力也几乎是徒劳的。欢迎来到僵尸物理世界。

在刚刚过去的万圣节，《自然》杂志梳理了物理学、天文学和宇宙学的一些发现——研究人员让它们自己照顾自己很多次，却发现它们总是“闹鬼”。

《邪恶轴心》

被称为宇宙微波背景辐射(CMB)的大爆炸的暗淡余辉在各个方向上几乎是相同的。从一点到另一点，它的温度变化不到十万分之一。宇宙学家预测这些微小的温度差异是随机分布的，但是在2003年，当美国国家航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星测量到CMB并在不同的尺度上绘制出这些波动时，一些意想不到的模式出现了。一个神秘的冷点隐藏在南方的天空中。天空中大多数区域之间的波动比预期的要小得多。然而，一些规模波动似乎是在一个特定的方向，形成所谓的“邪恶轴心”。

一些科学家认为这些特征可能是WMAP测量的“人工产物”。然而，在WMAP和随后欧洲航天局的普朗克任务的进一步观察中，这些异常拒绝离开。"我猜他们已经当了10年僵尸了."加拿大滑铁卢理论物理研究所普朗克科学小组成员兼宇宙学家肯德里克·史密斯说。

在包括史密斯在内的一些人看来，这些特征随机出现的概率可能高于直觉，因为那些观察到的现象只代表了所有可能的奇怪现象的一部分。其他人正在寻找能够解释这些意想不到的模式的现象:特别是，冷点与巨大的宇宙真空有关。史密斯说，进一步测试以测量中巴偏振将有更高的准确性，并揭示谁是正确的。

季节性“幽灵”暗物质

就像能穿透墙壁的妖风一样，银河系中的暗物质可以从四面八方不断穿透地球，甚至穿透人体。这种物质被认为占宇宙物质的85%，但从未被清楚地探测到。然而，自20世纪90年代末以来，意大利萨索山地下洞穴实验室DAMA的物理学家们发现，暗物质和碘化钠晶体可能正在相互作用。这些信号的强度根据季节变化而变化，这是可以预测的，因为地球围绕太阳的速度应该相对于周围的暗物质而变化。

然而，还有其他随季节变化的现象，可能会产生错误的结果。随后的测试几乎完全破坏了DAMA的检测——研究人员没有发现暗物质信号，或者发现的微弱信号对许多人来说都不可信。然而，DAMA项目继续积累证据，让暗物质已经被探测到的想法继续存在。

没有人质疑这项测试是在检测季节性波动。然而，还不清楚这些变化是由暗物质还是其他东西引起的。在南半球，季节正好相反，两个计划中的实验可能会给出答案:一个叫DM-Ice的实验将在南极冰中进行，另一个将在澳大利亚的星际地下物理实验室进行。

发光的银河传奇

更多的暗物质出现在太空中。2009年，两位物理学家在美国宇航局费米伽马射线太空望远镜的数据中发现了一种神秘的光。他们认为这种电磁辐射可能是暗物质粒子聚集在银河系中心附近，然后相互碰撞摧毁它的结果。它以伽马射线的形式存在，并且似乎超出了应该由已知来源产生的物质的范畴。

从那以后，一些团队提出了伽马射线的其他非暗物质解释，最新的观点是伽马射线来自脉冲星，即死星的残余。然而，研究人员发现暗物质的解释总是很快“爬回来”。在过去的几个月里，荷兰阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家克里斯托弗·韦尼格在他的合著论文中展示了支持和反对暗物质起源的证据。“我只想澄清正在发生的事情。”韦尼格说，目前他稍微倾向于脉冲星解释。

加州大学欧文分校的物理学家新美乐股份公司·莫吉亚说，费米小组期待已久的正式分析再次让物质的来源悬而未决。"最后，我们还观察到了许多神秘的光."穆尔吉亚说，“尽管我们不确定这是否是暗物质。”

恶魔质子差异

考虑到质子是宇宙中最常见和被充分研究的粒子之一，人们期望物理学家对它的大小有一个彻底的了解。然而，德国马克斯·普朗克量子光学研究所的兰多夫·波尔和他的团队在2010年测量了质子的半径，发现它比之前预测的小4%。该团队使用一种新技术，用被称为μ子的带负电粒子取代氢原子中的电子，然后测量将μ子撞击到靠近单个质子原子核的高能轨道所需能量的细微变化。这种变化对质子的半径非常敏感，比电子大200倍的μ子使测量数百万倍变得简单。

2013年，另一项使用μ子技术的研究证实了这一区别于之前对质子大小的估计。以前的测量涉及电子而不是μ子。研究人员试图发现μ子技术的缺陷，但是已经放弃了。"没有人质疑这个实验。"波兰华沙大学的理论物理学家克日什托夫·帕丘奇说。

与此同时，没有人能找出电子测量中存在什么样的误差。"下一组测试可能会解决这个问题."伊利诺伊州阿尔贡国家实验室的物理学家约翰·阿林顿说，“我们希望很快打败‘僵尸’。”

邪恶的“我的上帝”粒子

超高能宇宙射线的能量是最强大的人造加速器产生的粒子的数千万倍，这仍然是一个谜——宇宙中没有已知的现象能产生它们。2007年，皮罗吉天文台似乎正在探索这些粒子的起源，有时昵称为“我的上帝”。天文台的探测器分布在潘帕斯3000平方公里的阿根廷草原上。研究人员发现，这些射线似乎集中在特定星系附近的“热点”。这表明它们可能起源于星系中心超大质量黑洞周围的过热物质。然而，随着天文台积累更多的数据，这种联系减弱了。

正如可能存在“我的上帝”粒子热点的想法似乎已经被放弃一样，北半球的一个新热点由日本在犹他州领导的一个小规模实验探测到。然而，由于测试每年只能找到两三个这样的事件，可能需要一些时间来找到答案。为了加快速度，合作小组计划将望远镜阵列扩大近四倍，覆盖约2500平方公里的区域。该项目预计需要3年才能完成。

“大G”常数的永恒波动

重力的强度是多少？令人惊讶的是，物理学家仍然无法就“大G”常数的值达成一致。它在追溯到1687年的牛顿万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论中占有重要地位。不同的实验技术发现了截然相反的值。基于量子物理学的实验的增加似乎使这种差异变得更加严重。

一项旨在将世界各地的实验室聚集在一起寻找解决方案的行动正在进行中。然而，国家科学基金会(NSF)原子、分子和光学实验物理项目的负责人约翰·吉尔斯皮认为，此时需要新的想法。明年，国家科学基金会将资助一次头脑风暴会议。到那时，来自不同物理学分支的研究人员将花一周的时间尝试提出解决这一差异的策略。

这种差异可能并不指向测量问题，而是一些全新的东西。一些物理学家认为不同的技术会产生不同的结果，因为与重力本身相关的物理学需要被修正。如果是这样的话，这个“僵尸”可能是一个美丽的新生命形式的伪装。

(宗华)

中国科学新闻(2015-109第三版国际版)