书城工业向宇宙进发
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第19章 飞向宇宙(6)

地球和火星每隔两年会迎来一次近距离接触,平均相距5500~5800万千米。如采用“空间翘曲飞行”,利用空间本身的能量将距离压缩到1000千米左右时,即使利用普通列车的100千米/时左右的速度,也可在8~10小时内抵达火星。

真空能甚至可将空间压缩成更短,因为空间本身没有质量和惯性,因此它的移动速度也就不会受光速限制,瞬间尺度的变化率也是可远超过光速。当空间压缩到一定程度时,这时的宇宙间的真空能极化到已能够将相距遥远的两个位置连接在一起,在它们之间建立起来沟通的“桥梁”我们又称之为超维空间。这是一个完全独立于三维空间之外的其余维度空间W。因为宇宙是多维空间,在有限区域之间实现无边界的闭合,也反映了宇宙空间的不平坦。

当真空能出现极化导致空间某处发生变形,空间便出现不平坦的情形,三维宇宙矢量开始向其余维度W分化形成多维宇宙矢量。这种多维宇宙向量是正常三维向量X、Y、Z和其余维度W的合成矢量,它在宇宙所有维度矢量上都有分量,通常的三维矢量在其余维度向量分量上是零。随着极化的加剧,多维宇宙矢量在其余维度的分量越明显。当能量极化到出现超维空间隧道时,便出现和X、Y和Z完全正交,指向超维空间内部区域的矢量,那里是完全脱离于X、Y和Z之外的其余维度空间W,也就是人类进行星际旅行的另外一条不受时空和地域限制的通道。

由于W随着宇宙膨胀而变得很小,我们只有依靠瞬间极化的真空能来开启它。虽然宇宙之间充满了真空能,但是正负能量通常处于中和状态,只有将正负能量分离,产生像具有电压一样的场,能量出现极化,超维空间才能被我们所利用,人类实现星际旅行的终极梦想才会实现。

以上我们对宇宙的认识可能只有等到未来才能实现,但是现实中人类对暗能量(或叫真空能)和暗物质的研究才刚刚开始,这两种最神秘的事物也许和真空有着极大的联系。

探索未知宇宙

暗物质与暗能量

在80年以前,科学家通过观测遥远的星系,发现大型星系团中的星系拥有极高的运动速度,而观测到星系团实际的质量与能够束缚这种运动速度所具有的质量不符,两者大约相差100倍。在星系团间能够产生拥有这种庞大的质量效应的神秘物质就是暗物质。

目前为止,我们还无法直接观测到暗物质,我们只知道暗物质约占宇宙全部物质的23.6%;暗能量是造成目前宇宙加速膨胀的神秘力量,这种暗能量约占73%,其余4.4%的物质便是人类目前可观测和认识的显物质,显物质占整个宇宙的比重极低,如果仅通过显物质来研究和预测宇宙的起源和发展,无疑是很不全面的。单就暗物质来说,现阶段之所以不能对其充分的认识,并非暗物质很神秘,或许是我们的技术还没有发展到一个足以观测到这种物质的程度。

宇宙中游离态的夸克、胶子以及中微子等物质被认定为暗物质的一部分。在宇宙大爆炸早期,诞生的夸克和胶子在温度极高的环境下处于游离状态,称之为“胶子-夸克”等离子体。随着宇宙膨胀,温度逐渐降低,极少部分的夸克在胶子的涡旋状态下,与其一并结合成质子和中子,最终形成我们今天所能观测到的原子和分子。但是大部分夸克和胶子却依然保持着游离状态,散布在整个宇宙空间,它们更不能形成现在我们所能看到的物质,而变成了暗物质。

人类目前对物质了解的手段,最直接来源于观测。当光线照射到物体表面发生反射和吸收,光线的波长受到物体影响而变化发生散射,通过这种变化我们感知到物体的存在。对于微小的原子、亚原子、粒子(质子或中子),其大小一般在1 0002d0039~10-10m之间,可以采用波长极短γ射线进行观测,但是对于像胶子和夸克这种暗物质粒子,γ射线就无能为力了。

已知夸克粒子的尺度为10002d00310038m,胶子的尺度更小,为10-21m,而γ射线却有10-11~10-12m。这就好比用人眼所能感知的可见光去观测微小的细菌和病毒一样,由于光线波长远大于粒子尺度,所以不能影响到光波和频率的变化,也就看不到它的存在。而目前人类无法制造出比γ射线波长更短的光线,只能通过这些暗物质粒子与其他粒子的相互作用效应,来间接实施观测。

2010年11月8日,欧洲核子研究中心(CE RN)利用大型强子对撞机进行铅离子对撞实验(ALICE)。以接近光速运行的两束铅离子在撞击瞬间,能够产生10万亿摄氏度的高温,而这个温度是137亿年前宇宙大爆炸一万亿分之一秒内所具有的温度。在这个温度下将产生“夸克-胶子”等离子体,这有可能是人类探索暗物质的开始。

自然界中的暗物质极难捕捉得到,所以我们用对撞机制造暗物质,是一个很好的研究途径。承担此项实验的ALICE长约26米,高与宽各16米,重量约为1万吨。之所以选择铅离子作为实验粒子,是因为铅离子拥有很大的质量,相对原子量为207。将铅离子加速到接近光速时,其拥有的能量是质子的200倍。在发生撞击时,可拥有更高的能量密度,获得更高的温度。

这里再次提到大型强子对撞机已经是第四次了,这个由80多个国家,汇集几千名科学家的智慧和汗水建造的世界上最大的探测器,代表着目前人类在物理学、宇宙学研究上的最高发展水平。随着它的投入运营,人类目前面临的宇宙中亟待破解的未知理论将会被逐一探知。未来,人类对宇宙的了解将寄托于这台机器。我们也希望LHC不负众望,随着每一次的撞击将人类的思想逐渐带入一个全新认识的宇宙世界。

中微子超光速现象

2011年,所有的科学家都期待着能够证实希格斯粒子的存在,但是一项由意大利格兰 萨索国家实验室进行的研究中却得出了一个令人难以置信的惊人结论:他们测得的中微子运行速度超过了光速!这一消息一经传出便震惊整个世界。

这项实验首先由欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器释放出高能质子流。质子流通过轰击石墨靶,产生k介子和π介子,这些介子中的一部分很快会衰变成μ子和μ子中微子。然后所有这些粒子都将和一个铁-石墨靶碰撞,由于中微子尺度极其微小,可穿透任何物体,所以最终只有中微子穿透铁-石墨靶,径直飞向相隔732千米的意大利格兰 萨索实验室,其余粒子均被阻挡。

实验结果不可思议地显示中微子的运行速度比光速还要快,中微子走完全程所用时间,比光要早60纳秒(1纳秒=10-9秒)。虽然后经反复谨慎测试,排除了实验误差的可能,还是得到了和最初相同的结果。于是格兰 萨索实验室于2011年9月23日向外界正式公布了他们发现的中微子超光速现象。