物理學(xué)最前沿八大難題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上物理學(xué)最前沿八大難題當(dāng)今科學(xué)研究中三個(gè)突出的基本問題是：宇宙構(gòu)成、物質(zhì)結(jié)構(gòu)及生命的本質(zhì)和維持，所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代新技術(shù)革命的八大學(xué)科分別是：能源、信息、材料、微光、微電子技術(shù)、海洋科學(xué)、空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等。物理學(xué)在這些問題的解決和學(xué)科中占有首要的地位。我們可以從物理學(xué)最前沿的八大難題來了解最新的物理學(xué)動(dòng)態(tài)。難題一：什么是暗能量宇宙學(xué)最近的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)證實(shí)，普通物質(zhì)和暗物質(zhì)遠(yuǎn)不足以解釋宇宙的結(jié)構(gòu)。還有第三種成分，它不是物質(zhì)而是某種形式的暗能量。這種神秘成分存在的一個(gè)證據(jù)，來源于對(duì)宇宙構(gòu)造的測(cè)量。愛因斯坦認(rèn)為，所有物質(zhì)都會(huì)改變它周圍時(shí)空的形狀。因此，宇宙的總體形狀由其中的總質(zhì)量

2、和能量決定。最近科學(xué)家對(duì)大爆炸剩余能量的研究顯示，宇宙有著最為簡(jiǎn)單的形狀是扁平的。這又反過來揭示了宇宙的總質(zhì)量密度。但天文學(xué)家在將所有暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的可能來源加起來之后發(fā)現(xiàn)，宇宙的質(zhì)量密度仍少了23之多！難題二：什么是暗物質(zhì)我們能找到的普通物質(zhì)僅占整個(gè)宇宙的4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于宇宙的總物質(zhì)的含量。這得到了各種測(cè)算方法的證實(shí)，并且也證實(shí)宇宙的大部分是不可見的。最有可能的暗物質(zhì)成分是中微子或其他兩種粒子： neutralino和axions（軸子），但這僅是物理學(xué)的理論推測(cè)，并未探測(cè)到，據(jù)說是沒有較為有效的測(cè)量方法。又這三種粒子都不帶電，因此無法吸收或反射光，但其性質(zhì)穩(wěn)定，所以能從創(chuàng)世大爆炸后的最初階段

3、幸存下來。如果找到它們的話，很可能讓我們真正的認(rèn)識(shí)宇宙的各種情況。難題三：中微子有質(zhì)量不久前，物理學(xué)家還認(rèn)為中微子沒有質(zhì)量，但最近的進(jìn)展表明，這些粒子可能也有些許質(zhì)量。任何這方面的證據(jù)也可以作為理論依據(jù)，找出4種自然力量中的3種電磁、強(qiáng)力和弱力的共性。即使很小的重量也可以疊加，因?yàn)榇蟊粝铝舜罅康闹形⒆樱钚聦?shí)驗(yàn)還證明它具有超過光速的性質(zhì)。難題四：從鐵到鈾的重元素如何形成暗物質(zhì)和可能的暗能量都生成于宇宙初始時(shí)期氫、鋰等輕元素形成的時(shí)候。較重的元素后來形成于星體內(nèi)部，核反應(yīng)使質(zhì)子和中子結(jié)合生成新的原子核。比如說，四個(gè)氫核通過一系列反應(yīng)聚變成一個(gè)氫核。這就是太陽(yáng)發(fā)生的情況，它提供了地球需要的熱量

4、。當(dāng)然也還有其它的種種核反應(yīng)。當(dāng)核聚變產(chǎn)生比鐵重的元素時(shí)，就需要大量的中子。因此，天文學(xué)家認(rèn)為，較重的原子形成于超新星爆炸過程中，有大量現(xiàn)成的中子，盡管其成因還不很清楚。另外，最近一些科學(xué)家已確定，至少一些最重的元素；如金、鉛等，是形成于更強(qiáng)的爆炸中。還有一點(diǎn)需要確定，即當(dāng)兩顆中子星相撞還會(huì)塌陷成為黑洞。難題五：超高能粒子從哪里來太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、Y射線光子和其他各種形式的亞原子榴征彈都稱作字宙射線。它們無時(shí)無刻不在射向地球；當(dāng)你讀這篇文章的時(shí)候，可能就有幾個(gè)在穿過你的身體。宇宙射線的能量如此之大，以至于它們必須是在大災(zāi)變?cè)斐傻挠钪婕铀倩顒?dòng)中才能產(chǎn)生?？茖W(xué)家估計(jì)的來源是：創(chuàng)

5、世大爆炸本身、超新星撞成黑洞產(chǎn)生的沖擊波，以及被吸人星系中央巨大黑洞時(shí)的加速物質(zhì)等等。了解了這些粒子的來源以及它們?nèi)绾蔚玫饺绱司薮蟮哪芰?，將有助于研究這些物體的具體的活動(dòng)情況。難題六：超高溫度和密度之下是否有新的物質(zhì)形態(tài)在能量極大的情況下，物質(zhì)經(jīng)歷一系列的變化，原子分裂成其最小的組成部分。這些部分就是基本的粒子，即夸克和輕子，據(jù)目前所知它們不能再分成更小的部分?？淇说男再|(zhì)是極其活躍，在自然狀態(tài)下是無法單獨(dú)存在。它們會(huì)與其他夸克組成光子和中子，兩者再與輕子結(jié)合就形成了整個(gè)原子。這都是現(xiàn)有科學(xué)可以推測(cè)的，但當(dāng)溫度和密度上升到地球上的幾十億倍時(shí)，原子的基本成分很可能會(huì)完全分離開來。形成夸克等離子體和

6、將夸克聚合在一起的能量。物理學(xué)家正嘗試在長(zhǎng)島的一臺(tái)粒子對(duì)撞機(jī)中創(chuàng)造物質(zhì)的這種形態(tài)，即一種夸克一膠子等離子體。在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這些科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中所能創(chuàng)造出的更高溫度和壓力之下，等離子體可能變成一種新的物質(zhì)或能量形式。這種階段性變化可能揭示自然界的新力量。要使這些力量結(jié)合起來，就必須要有一種新的超大粒子規(guī)范玻色子，如果它存在的話，就可以使夸克轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Ｗ?，從而使每個(gè)原子中心的光子衰變。假如物理學(xué)家證明光子能夠衰變，那么這一發(fā)現(xiàn)就會(huì)證明有新力量的存在。難題七：光子是不穩(wěn)定的嗎？如果你擔(dān)心組成你的光子會(huì)分解蛻變，將你變成一堆基本粒子和自由能量，那大可不必為此著急。各種觀察和試驗(yàn)表明，光子的穩(wěn)定時(shí)間至少在

7、10的33次方年。然而，許多物理學(xué)家認(rèn)為，如果這三種原子力確實(shí)是單個(gè)統(tǒng)一場(chǎng)的不同表現(xiàn)形式，前文所說的神秘變化的超大玻色子就會(huì)不時(shí)從夸克中演化出來，使夸克及其組成的光子衰退。如果一開始你認(rèn)為這些物理學(xué)家腦子出了毛病，那也是情有可原的，因?yàn)榘蠢碚f微小的夸克不可能生成比它重這么巨大倍數(shù)的玻色子。但根據(jù)海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理，我們不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的動(dòng)量和位置，這就間接使這樣一個(gè)大膽命題可以成立。因此，一個(gè)巨大的玻色子在一個(gè)夸克中生成，在很短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)光子并使光子衰變是可能的。難題八：有幾維空間對(duì)重力真正性質(zhì)的研究也會(huì)帶來這樣的疑問：空間是否僅僅限于我們能輕易觀察到的四維呢？這就將我們引向了一些線性理論學(xué)家對(duì)重力的解釋，其中就包括其他維的空間。開始的宇宙線性理論模型將重力和其他三種力在復(fù)雜的11維宇宙中結(jié)合起來。在那個(gè)字宙也就是我們宇宙中其中的7維隱藏在超乎想像的微小空間中，以至于我們無法覺察到。弄懂這些多維空