《自然》雜志梳理了物理學(xué)、天文學(xué)和宇宙學(xué)中的一些發(fā)現(xiàn)——研究人員屢次任其自生自滅，卻發(fā)現(xiàn)它們總是“陰魂不散”。

當(dāng)一項(xiàng)科學(xué)成果看上去展示出一些真正新穎的東西時(shí)，隨后的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該或者證實(shí)它——使教科書(shū)重寫(xiě)，或者證明它是測(cè)量異?；蛟囼?yàn)錯(cuò)誤。不過(guò)，一些發(fā)現(xiàn)似乎永遠(yuǎn)夾在兩者中間。即便是努力重現(xiàn)這些成果，也幾乎沒(méi)有成效。歡迎來(lái)到“僵尸”物理學(xué)的世界。

在剛剛過(guò)去的萬(wàn)圣節(jié)，《自然》雜志梳理了物理學(xué)、天文學(xué)和宇宙學(xué)中的一些發(fā)現(xiàn)——研究人員屢次任其自生自滅，卻發(fā)現(xiàn)它們總是“陰魂不散”。

“邪惡軸心”

被稱(chēng)為宇宙微波背景輻射（CMB）的宇宙大爆炸暗淡余輝，在所有方向幾乎是一致的。從一點(diǎn)到另一點(diǎn)，它的溫度變化小于十萬(wàn)分之一。宇宙學(xué)家預(yù)測(cè)這些微小的溫度差異是隨機(jī)分布的，但2003年，當(dāng)美國(guó)宇航局（NASA）威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）衛(wèi)星測(cè)量CMB并在不同尺度上描繪出這些波動(dòng)時(shí)，一些意想不到的模式出現(xiàn)了。一種神秘的冷斑隱藏在南半球天空；天空中大多數(shù)區(qū)域之間的波動(dòng)比預(yù)想的小很多；而一些尺度上的波動(dòng)看上去會(huì)沿著一個(gè)特定的方向排列，形成所謂的“邪惡軸心”。

一些科學(xué)家曾提出，這些特征可能是WMAP測(cè)量的“偽影”。然而，在WMAP以及隨后由歐洲空間局普朗克任務(wù)開(kāi)展的進(jìn)一步觀(guān)測(cè)中，這些異常現(xiàn)象一直拒絕離開(kāi)。“我猜它們處于僵尸狀態(tài)已有10年的時(shí)間?！逼绽士丝茖W(xué)團(tuán)隊(duì)成員、加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所宇宙學(xué)家Kendrick Smith表示。

在包括Smith在內(nèi)的一些人看來(lái)，這些特征隨機(jī)發(fā)生的幾率或許比直覺(jué)認(rèn)為的高，因?yàn)橐驯挥^(guān)測(cè)到的那些僅代表了所有可能奇異現(xiàn)象的一部分。其他人則在尋找能解釋這些非期望模式的現(xiàn)象：尤其是冷斑同一個(gè)巨大的宇宙空洞有關(guān)。Smith介紹說(shuō)，測(cè)量CMB極化的進(jìn)一步試驗(yàn)將擁有更高的精度，并且揭示誰(shuí)是正確的。

季節(jié)性“幽靈”暗物質(zhì)

就像一陣能穿透墻壁的妖風(fēng)，銀河系中的暗物質(zhì)能持續(xù)地從所有方向穿透地球，甚至是人體。這種物質(zhì)被認(rèn)為占據(jù)了約85%的宇宙物質(zhì)，但從未被明確地探測(cè)到。不過(guò)，自上世紀(jì)90年代末，DAMA（位于意大利薩索山山下的洞穴地下實(shí)驗(yàn)室）試驗(yàn)的物理學(xué)家探測(cè)到擁有碘化鈉晶體的暗物質(zhì)可能在發(fā)生相互作用。這些信號(hào)的強(qiáng)度依據(jù)季節(jié)模式發(fā)生變化，而這是可以預(yù)期的，因?yàn)榈厍驀@太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其速度相對(duì)于周?chē)陌滴镔|(zhì)應(yīng)當(dāng)會(huì)發(fā)生變化。

不過(guò)，還有其他現(xiàn)象隨著季節(jié)而改變，并且可能產(chǎn)生虛假的結(jié)果。后續(xù)試驗(yàn)幾乎全部毀滅了DAMA的探測(cè)——研究人員并未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)信號(hào)，或者發(fā)現(xiàn)的微弱跡象在很多人看來(lái)是沒(méi)有說(shuō)服力的。然而，DAMA項(xiàng)目繼續(xù)積累證據(jù)，使認(rèn)為暗物質(zhì)已被探測(cè)到的觀(guān)點(diǎn)保持著活力。

沒(méi)有人對(duì)此項(xiàng)試驗(yàn)正在探測(cè)到一種季節(jié)性起伏存有爭(zhēng)議。不過(guò)，這些變動(dòng)是由暗物質(zhì)還是其他東西導(dǎo)致的仍不清楚。在季節(jié)相反的南半球，兩項(xiàng)規(guī)劃好的試驗(yàn)或許會(huì)帶來(lái)答案：一項(xiàng)名為DM-Ice的試驗(yàn)將在南極冰層中展開(kāi)，另一項(xiàng)則將在澳大利亞斯塔威地下物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

發(fā)光的銀河傳奇

更多的暗物質(zhì)在太空中顯露。2009年，兩位物理學(xué)家在來(lái)自NASA費(fèi)米伽馬射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一種神秘的光。他們認(rèn)為，這種電磁輻射可能是暗物質(zhì)粒子在銀河系中心附近聚集然后相互碰撞摧毀的結(jié)果。它以γ射線(xiàn)形式存在，并且看上去超越了已知來(lái)源應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生的物質(zhì)范疇。

自此以后，一些團(tuán)隊(duì)提出了針對(duì)γ射線(xiàn)的其他非暗物質(zhì)解釋?zhuān)钚碌挠^(guān)點(diǎn)是它來(lái)自死亡恒星的殘留物——脈沖星。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)解釋總是很快又“爬了回來(lái)”。過(guò)去幾個(gè)月里，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)理論天體物理學(xué)家Christoph Weniger在與別人共同撰寫(xiě)的論文中展示了支持和反對(duì)暗物質(zhì)來(lái)源的證據(jù)。“我只是想厘清正在發(fā)生的事情。”Weniger介紹說(shuō)，目前他稍微傾向于脈沖星解釋。

加州大學(xué)爾灣分校物理學(xué)家Simona Murgia介紹說(shuō)，費(fèi)米團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的一項(xiàng)期待已久的正式分析讓這種物質(zhì)的來(lái)源再次懸而未決?！白罱K，我們也觀(guān)測(cè)到大量神秘的光?！盡urgia說(shuō)，“盡管我們無(wú)法確定它是否為暗物質(zhì)?！?/p>

惡魔般的質(zhì)子差異

考慮到質(zhì)子是宇宙中最常見(jiàn)且被充分研究過(guò)的粒子之一，人們都期待物理學(xué)家能徹底了解它的大小。不過(guò)，2010年，來(lái)自德國(guó)馬普量子光學(xué)研究所的Randolf Pohl及其團(tuán)隊(duì)測(cè)量了質(zhì)子的半徑，發(fā)現(xiàn)其比此前預(yù)測(cè)的小4%。該團(tuán)隊(duì)利用了一種新技術(shù)，即用被稱(chēng)為μ介子的帶負(fù)電荷粒子替代氫原子中的電子，然后測(cè)量了將μ介子撞擊到單質(zhì)子原子核附近較高能量軌道上所需的能量的細(xì)微變化。這種變化對(duì)質(zhì)子的半徑很敏感，而比電子大200倍左右的μ介子使其測(cè)量起來(lái)簡(jiǎn)單幾百萬(wàn)倍。

2013年，另一項(xiàng)利用μ介子技術(shù)的研究證實(shí)了這種同此前對(duì)質(zhì)子大小估測(cè)存在的差異。此前的測(cè)定涉及電子而非μ介子。研究人員試圖尋找μ介子技術(shù)的缺陷，但目前已經(jīng)放棄?！皼](méi)有人質(zhì)疑這項(xiàng)試驗(yàn)?！辈ㄌm華沙大學(xué)理論物理學(xué)家Krzysztof Pachucki表示。

與此同時(shí)，也沒(méi)有人能找到基于電子的測(cè)量存在何種錯(cuò)誤。“下一步要開(kāi)展的一組試驗(yàn)或許會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題。”伊利諾伊州阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家John Arrington表示，“它是一個(gè)我們希望很快能打敗的‘僵尸’?！?/p>

邪惡的“我的上帝”粒子

超高能宇宙射線(xiàn)擁有的能量比最強(qiáng)大的人造加速器產(chǎn)生的粒子高出幾千萬(wàn)倍，并且至今仍是個(gè)謎——并未有宇宙中的已知現(xiàn)象能產(chǎn)生它們。2007年，皮耶奧格觀(guān)測(cè)站似乎正走上發(fā)現(xiàn)這些有時(shí)被戲稱(chēng)為“我的上帝”粒子的來(lái)源的道路。該觀(guān)測(cè)站的探測(cè)器散布在阿根廷3000平方公里的潘帕斯草原上。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些射線(xiàn)看上去集中在特定星系附近的“熱點(diǎn)”中。這表明，它們可能源自圍繞星系中心超大質(zhì)量黑洞的過(guò)熱物質(zhì)。然而，隨著觀(guān)測(cè)臺(tái)累積更多數(shù)據(jù)，這種聯(lián)系減弱了。

就在認(rèn)為可能存在“我的上帝”粒子熱點(diǎn)的觀(guān)點(diǎn)似乎已被舍棄時(shí)，北半球的一個(gè)新熱點(diǎn)被一項(xiàng)由日本主導(dǎo)的、在猶他州進(jìn)行的較小規(guī)模試驗(yàn)探測(cè)到。然而，由于該試驗(yàn)每年只能發(fā)現(xiàn)兩三次此類(lèi)事件，因此找到答案可能需要一段時(shí)間。為加快速度，合作組計(jì)劃將望遠(yuǎn)鏡陣列擴(kuò)大近4倍，以覆蓋約2500平方公里的區(qū)域。該項(xiàng)目有望花3年時(shí)間完成。

“大G”常數(shù)的永恒波動(dòng)

引力的強(qiáng)度到底是什么？令人吃驚的是，物理學(xué)家仍無(wú)法就“大G”常數(shù)的值達(dá)成一致。它在可追溯至1687年的牛頓萬(wàn)有引力定律和愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中均占據(jù)重要位置。不同的試驗(yàn)技術(shù)發(fā)現(xiàn)了截然相反的數(shù)值。而基于量子物理學(xué)的試驗(yàn)的加入，似乎讓這種差異更加嚴(yán)重。

一項(xiàng)旨在使來(lái)自全球的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)手尋找解決方法的行動(dòng)正在進(jìn)行中。不過(guò)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）原子、分子和光學(xué)試驗(yàn)物理學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人John Gillaspy認(rèn)為，當(dāng)前需要新想法。明年，NSF將資助一場(chǎng)頭腦風(fēng)暴會(huì)議。屆時(shí)，來(lái)自不同物理學(xué)分支的研究人員將花一周時(shí)間試圖提出解決這種差異的策略。

有可能這種差異指向的不是測(cè)量問(wèn)題，而是一些全新的東西。一些物理學(xué)家曾提出，不同技術(shù)會(huì)產(chǎn)生不同結(jié)果，因?yàn)榕c重力有關(guān)的物理學(xué)本身需要被修正。如果這樣，這只“僵尸”可能是一種經(jīng)過(guò)偽裝的美麗的新生命形式。（宗華）

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2015-11-09 第3版 國(guó)際)