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宇宙三大未解之謎膽小勿看

「最小粒子」存在嗎?

在歷史上很長的一段時間裡,人們曾經認為物質、時間、空間這些東西是可以無限分割的。《莊子·天下》中這樣說:「一尺之棰,日取其半,萬世不竭。」用數學的語言來解釋這段話,意思就是你可以把1尺長的棍子進行無數次對半分割,第一次對半分割得數是0.5尺,第二次是0.25尺,第三次是0.125尺……這個過程可以無限地進行下去。

公元前四世紀的希臘哲學家亞里士多德也認為,物質是連續的,人們可以將它無限地分割下去,我們永遠也得不到一個不可再分割的「最小顆粒」。

但很早就有人懷疑「物質可以無限分割」的觀念,希臘哲學家德謨克利特相信最小顆粒是存在的,他把這種粒子叫做「原子」。德謨克利特認為所有的物質都是由原子組成的,原子是一種不可穿透、不可分割的實體,一切原子都有著相同的性質,只是在形狀、大小、重量、排列、位置上有所不同。萬物有生有滅,但組成它們的原子卻不會跟著毀滅,只會從死亡的物體轉移到新生的物體身上。

後來科學家們的確發現了原子的存在,但它卻不是最小的粒子,它由質子、中子和電子構成,質子和中子又由被膠子束縛著的夸克組成。

從目前的情況看,電子和夸克似乎都是最小的「基本粒子」。之所以說它們是基本粒子,是因為任何與這些粒子的結構相關的現象,在實驗中都沒有觀察到,它們像是一個不可再分的點,而不像質子、中子、原子核和原子那樣,有可測量的大小。

粒子物理學家們建立了一個標準模型,來解釋目前已發現的所有粒子和它們之間的作用力。但並不像德謨克利特說的那樣,只存在「原子」這樣一種最小粒子,標準模型中包括了62種基本粒子,被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子剛剛被找到,這樣標準模型中所有粒子的存在都已得到了證明。

然而這些今天被稱為基本粒子的東西,就一定是不可再分的「最小粒子」嗎?人們以前曾經認為原子是最小粒子,但後來發現它其實是個複合體。隨著科技水平的提高,今天不可再分的東西,明天有沒有可能發現它又只是個複合體呢?

這樣的過程,有沒有盡頭呢?假如從量子論的角度來看,世界不是光滑的,在粒子世界中,物質、能量、時間、空間都表現出不連續的特徵來,因而世界必定不可能無限分割下去,最小粒子必定存在。

但這種分割,到什麼時候才是盡頭,最小粒子究竟是多小呢?

科學現在無法回答。

「超光速」存在嗎?

在經典物理中,判斷任何物體的運動狀態,都需要選定一個參照物。對於同樣的運動物體,假如選取的參照物不同,得到的結果就不一樣。

按照這個思路,我們可以推測光速並沒有絕對值。假如一束光向你照過來,初始速度為C,當你以速度V向著光源的方向運動時,那麼以你為參照物,光速就會變成C+V;而當你朝背著光源的方向運動時,你眼中的光速就應該是C-V。

如果情況是這樣的話,那麼就不存在「超光速」的問題了。

然而1886年,美國物理學家阿爾伯特·麥克爾遜和愛德華·莫雷進行了物理學史上赫赫有名的「MM實驗」,有了一個驚人的發現:在地球朝著不同方向運動時,檢測到的光速竟然沒有絲毫變化。這意味著,經典物理學的推測完全錯誤,不管你是在朝著光源運動,還是在向垂直於光源的方向運動,或者在背著光源運動,你看到的光速絲毫不會發生變化,都保持著恆定的速度C。

後來愛因斯坦用「狹義相對論」解釋了這一現象。愛因斯坦說,高速運動物體的時間流速會變慢,自身的長度會縮小,正是因為時間和空間存在這樣的彈性,才導致不管你在哪裡、從哪個方向見到的光,它在真空中的傳播速度都是大約每秒30萬公里,從來不會發生變化。

但相對論有這樣一個前提:真空中的光速C是一個絕對量,是一切物體運動速度的極限,也是一切實在的物理作用傳遞速度的極限。愛因斯坦說,世界上不存在「超光速」的運動物體和信息傳輸,這是相對論的基石。

「暗物質」、「暗能量」存在嗎?

按照現有的科學理論,宇宙的構成可以分為三個部分:空間、物質和能量,愛因斯坦的引力理論——廣義相對論,把這三者緊密聯繫在了一起。引力是衛星、行星、恆星運動的主要原因,一個物體施加給其它物體的引力大小,只取決於它們的質量和距離,因而只要觀察物體在空間的運動,就可以計算出引發這一運動的質量大小。

比如在太陽系中,太陽質量所產生的引力,拖拽著各大行星繞著它轉動。離太陽越近的行星受到的引力越大,保持軌道所需要的運動速度就越快。根據引力方程,只要知道了行星圍繞太陽旋轉的速度,以及它們之間的距離,就可以計算出太陽的質量;或者也可以根據後兩者的數據,反過來計算行星的軌道。

廣義相對論在計算太陽系各星體的質量和它們的軌道方面取得了成功。從理論上說,廣義相對論的運用應該不僅僅適用於太陽系,同樣可以擴大到星系層面,能用來解釋星系質量與星系內恆星的運動速度之間的關係。因為一個星系中的大部分恆星都處在星系盤上,在不斷地圍繞著星系中心運動,這和行星在圍繞著太陽轉動沒有什麼兩樣。

然而問題出現了。在所有的觀測中都發現了同樣的情況,那就是星系的質量與星系內恆星的運動速度不匹配,根據引力方程計算的結果,星系必須擁有比現在大得多的質量,才有可能將這些恆星保持在它們現有的軌道上。這些質量到哪裡去了呢?科學家們猜測,星系中應該存在著一類我們看不見的物質,那就是「暗物質」。

這些暗物質自身不發射電磁輻射,也不與電磁波產生相互作用,這樣我們就無法感知到它,只能通過引力產生的效應猜測它可能存在。

「暗能量」的發現照樣跟引力有關。人們想,從引力的角度來看,既然宇宙中的每一個部分都被其它部分吸引著,那麼它應該能夠遏制宇宙的擴張。然而我們觀測到的事實卻是,宇宙正在加速膨脹。這一事實暗示著,必定存在一種東西,在推動著宇宙的膨脹,它是不同於已知的物質、能量和暗物質的東西,人們把它稱為「暗能量」。

對於暗物質是否真的存在,人們其實沒有絕對的把握。因為還存在另外一種可能,那就是也許愛因斯坦的廣義相對論,僅僅只是在太陽系內適用,一旦擴展到星系、星團甚至整個宇宙的層面,那就完全失效了。這種情況完全有可能出現,萬有引力定律只是相對論這個更普適理論的一個特殊情況,說不定相對論本身也是如此,只是一個更大理論的組成部分?

同樣地,對於暗能量是否真的存在,我們目前更是無法確認。

假如愛因斯坦的引力方程在整個宇宙中都適用,那麼根據最近的測量,宇宙中僅有5%的物質和能量是常規物質,其餘是23%的暗物質和72%的暗能量。也就是說,我們目前所能了解的只是宇宙5%的部分,對於其餘絕大部分我們還一無所知。

暗物質與暗能量時刻都在提醒我們,我們對於世界的認知過分依賴於我們的感官和思維。假如有一種事物,既不為我們的感官所感知,又不與我們能感知到的事物之間產生相互作用,那麼我們根本就不可能斷定它是否存在。

暗物質、暗能量是否真的存在?世界上會不會有這樣的事物,它雖然存在,我們卻永遠也無法感知?比如鬼魂、科技高度發達的外星人,還有上帝?

現代科學無法回答。


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