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宇宙怪物——Q球

时间:2022-03-12 08:47:43 浏览次数:

科学家在深入探索后,最近又发掘出一个新的宇宙怪物,称为Q球。哈佛大学的物理学家柯萨说:“它们非常重而微小,若你把它放在桌上,它将穿通桌面直入地心。”这是一种奇异物质构成的微球,它们可能漫游于空间。每个Q球,都像一个藏在坚果壳内的新宇宙。为何说新宇宙呢?因为在Q球内部,不存在我们所熟悉的三种自然力(强核力、弱核力、电磁力)。这种特性造成的后果是灾难性的,这意味着,每个Q球都在破坏宇宙的规律和秩序,因为它吞食普通物质,并迫使后者按Q球的规律存活下去。一个Q球能吃掉超密星(中子星)的心脏。

但迄今没有人见过这种怪球,它只是来自物理学家的预言。据说,怪球产生于新生宇宙的高温之中,并一直存活到今天。科学家拟在各处寻找它们的踪影,从遥远的天边到海底和冰层之中。若找到Q球将解开一大堆宇宙奥秘,这包括科学家坚信散布在宇宙的暗物质,在天空闪烁着的、不可预测的γ射线暴等。

Q球之名为物理学家库里曼所取,有非常稳定、坚固的含义,它所包含的能量也高低不等。1997年柯萨和雪尼可夫,确切地从一种称之为超对称理论中得出Q球的结论。现行的粒子物理学其标准模型十分成功地描述了组成物质的基本粒子(夸克和轻子),但目前它已出现了裂缝,因此科学家推出了超对称论,它企图在标准模型之外,为粒子物理学构筑一个新的框架。此理论引入了一批镜像粒子,即所有的已知粒子都有自己的超对称伙伴粒子。但迄今没有人探测到这些粒子,这也许是现在的粒子加速器的能量还不够大,不足以产生它们。若超对称论正确,那么这些伙伴粒子曾统治过宇宙。

理论预言,就在暴胀(大爆炸后的瞬间)发生之后,宇宙为夸克和轻子的超对称伙伴粒子(S夸克和S轻子)所覆盖,Q球也在此时产生。柯萨等称,在这个S夸克和S轻子的海洋中,不可避免地有密度上的起伏;那些较密的部分可能聚合起来,看上去像云雾一样,并凝结成团块或液滴。若这些团块较大,就将形成Q球,由于它很稳定,故能一直存活下来。

科学家利用超级电脑进行模拟,结果看到,这个S夸克海洋中能凝结出三十多种Q球,最大者(也即能量最高者)含有2×1016个S夸克。

这些神秘的S夸克、S轻子之所以能存活,是因为它们拥挤在空间中,没有像夸克、轻子那样严格的限制。例如在质子中,只能有3个夸克,因为不能有更多的夸克共享它们的量子态,而成千上万的S夸克、S轻子却可相安无事地分享同一(量子)态,故它们可挤在一个原子核大小的微球中。

有的Q球甚至可能含有1030个粒子,其大小约为铁原子核的10倍,而其质量约为1×10-7千克,相当于前者1万亿倍。由于S夸克、S轻子的特性,Q球内不存在形成我们世界的强核力、弱核力和电磁力。它们仍弥散于空间,很可能组成某些暗物质,游荡在星系周围,遍及整个宇宙。我们所以能知悉暗物质,是通过其引力弯曲可见星系的运动路线而得知。

若这些坚果壳真的漫游在空间,它们会有怎样的标记呢?由于微小,推测其速度在100千米/秒左右,它们将穿过恒星或行星而绝不停留。例如一颗Q球若穿过太阳,不会超过4分钟,其速度仅减慢0001%,这就像一粒子弹穿过水蒸气云。

但对另一种星体来说,若被Q球所污染,却意味着死亡,中子星就是如此。中子星的直径仅在20千米~30千米,却含有一个太阳的物质,因此其内部的物质极密实,以致原子中的电子都跟质子挤压在一起,而成中子浓汤。

当一颗Q球碰上中子星时,它将跟大量的中子相互作用,并渐渐到达星核,此时其速度已减慢到“爬行”。同时它开始吞食周围的中子,“中子内的夸克突然发现,那种把它们束缚在一起的力已消失,因此它们裂开,又被Q球反弹。”但不用多久,这些夸克就和Q球混合起来,变成了S夸克。Q球在形成2或3个π子(由夸克—反夸克对组成)后,将吐出多余的能量,而后者将衰变成各种粒子,包括微小的、以光速运行的中微子,它们将从中子星中逃逸出来。柯萨说:“中子星被Q球慢慢地从内层吞食出来。”能量从星核的逃逸,将耗减其质量,最终其质量只剩下到1/5个太阳的质量。此时,引力强度已不足以阻止中子衰变成电子、质子和中微子。这些骚动着的中子突然衰变,释放出巨大能量,整个中子星随之爆炸,这相当于又来了一次小型的超新星爆发。

柯萨等人计算,一颗Q球吃掉中子星核,约需1000万年,而中子星的一般寿命都为几亿年,故Q球引发的爆炸想必早在进行了。若中子星爆发,其大部分能量以γ射线涌现出来,这足可引起γ射线暴。迄今,我们观测到的超明亮γ射线闪烁,仍然是一个谜,这会是Q球引发的吗?Q球还将在另一方面显示其存在,即在微波背景辐射上,它是大爆炸留下的余波。

1998年,英国的克默斯特等人指出,Q球将对微波背景产生敏感的扭曲。人们期待2006年欧洲航天局将发射普朗克天文卫星,它有能力探测到这种现象。

这种怪球甚至在我们自己的家乡——地球,也可能找到。若一颗Q球到达地球,它将一路大吃质子而发出巨大的π子暴。因为这些高能粒子在通过水或冰层时会发出闪光,所以这些信号会被置放在全球各地的探测器所记录。由于Q球放射出的粒子,将以超光速(水中)运动。而这一点,并不违反爱因斯坦关于光速是宇宙中最高速度的结论,因为这是指光在真空中的速度,而在其他介质中,光速将大幅度下降。

出自Q球的高速粒子,在它们通过水层时,因快于光速(水中),故呈一束蓝光,称之塞伦可夫辐射。它虽很暗弱,但能观测到。科学家利用灵敏的光电管来放大这些塞伦可夫闪光,他们就能指出这些粒子的运动路线。

从1984年~1990年以来,已有一串塞伦可夫探测器置于西伯利亚贝加尔湖中。科学家检查了探测器所记录的数据,未发现有Q球的痕迹。在意大利格兰珊苏国家实验室的地下,置放了MACRO的探测器,此实验还在进行中。

从上述的观测中可看出,若Q球存在的话,那么一定很稀少;若它们是暗物质组成的,那么一定很重。按这样的推理,物理学家计算出,Q球至少含有1022个粒子。

像这样的Q球,大型粒子探测器更易捕捉到。例如,由13串塞伦可夫探测器组成的ANTARES,它建造在地中海2000米水下,其覆盖面积可达01平方千米,按计划可在2003年建成。另一称之为“冰房”的探测器,将安置在南极,在那清洁的冰层上,挖掘81个深达24千米的洞,然后把一串串的塞伦可夫探测器置于洞内。按研究者的计划,“冰房”将于2008年启动。

最令人感兴趣的是,疑有一对Q球在“超开密欧凯得”探测器中留下了痕迹。这是一个含有5万吨水的大容器,置于日本依开山下的矿场中。尽管外界说得沸沸扬扬,但实验者说,他们确实看到一些东西进入,但太轻微了,以致探测器无法证实。一些乐观者认为,未来几年也许会迎来最激动人心的时刻,有望找到理论上存在的这些宇宙怪物。

但只要超对称论未被证明,那么Q球还将是一种想像。物理学家赫尔说,“没有超对称存在的一些证据。”他说,虽然超对称论在许多方面很精巧,但许多物理学家更多地把它看做宗教,而非科学理论。这一“神学”已把一些有前途的理论排挤出受人注意的中心。赫尔甚至问道,关于中子星爆炸或微波背景上的扭曲,一定能说明超对称理论和Q球的存在吗?因为大尺度空间仍是一个复杂和未知的宇宙区域。“我并非说这种思想没有研究价值,但我认为,它不会产生一个清楚的答案。”他认为,最好的方法是直接验证基本概念,使用大功率的粒子加速器,在最小尺度上观测物理定律。

真理来到的时刻不会远了,也许再等上5年,最强有力的加速器——大型强子对撞机(LHC)将问世,它将在欧洲核子研究中心(CERN)把粉碎了的粒子结合起来。若在碰撞的碎片中仍找不到超对称镜像粒子(如S夸克等)的影踪,那么这个理论将陷入很大的麻烦。

如果上述镜像粒子被证实,那么超对称论将加入到可测试的大自然规律的行列。在这种情况下,Q球将变得十分逼人,在这个坚果壳内自然定律被打碎,将不会使人大感奇怪,虽然它留给我们一大堆难题。

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