當今物理學理論與技術的前沿陣地

先進激光干涉引力波天文台

普朗克太空探測器

大型強子對撞機

激光空間干涉引力波探測器

空間中的量子理論

      大型強子對撞機

    希格斯玻色子（或許）已經在科學家們的掌握之中，但是，耗費了無數人心血和資金的大型強子對撞機（LHC）饋贈給人類的可能不止于此。

    今年2月14日，歐洲核子研究中心（CERN）的科學家們宣布，LHC接下來將進入為期兩年的停機維護期。在這兩年內他們將對該設備進行徹底的修理和升級，希望在兩年後它能突破迄今為止最高8TeV對撞能量的限制，以14TeV的初始設計能量進行對撞實驗。

    這一對撞能量應該足以制造出諸如超弦理論等下一代物理理論預測可能存在的粒子。但是，LHC也是一台碎鈔機，需要巨額資金來保障。如果砸下去的錢沒有讓科學家們獲得他們所期望的結果，那麼，他們可能會繼續在宇宙間搜索，測量宇宙射線或者細小的原子效應，希冀從中找到答案。

    普朗克探測器

    宇宙大爆炸留下的輻射中包含有早期宇宙留下的重要線索，歐洲航天局（ESA）于2009年發射升空的普朗克衛星繪制出了早期宇宙最詳細的“肖像”，該衛星捕捉到的輻射足以讓科學家們不進行任何理論假設，就可以測量宇宙的質量；也足以讓科學家們探測到宇宙波的漣漪並且測試各種膨脹模型，這些膨脹模型認為，整個宇宙大爆炸期間，宇宙一直在膨脹。普朗克衛星捕捉到的早期宇宙的圖像甚至可以讓科學家們研究除了標準模型以外的其他理論模型（諸如平行世界等）。

    先進激光干涉引力波天文台

    廣義相對論預測，時空中的漣漪應該會持續不斷地在宇宙間穿梭。從2014年開始，位于美國的引力波探測器的升級版——先進激光干涉引力波天文台，將使用幾千米長的激光“尺子”，追蹤空間抖動（相當于地球向太陽移動單個原子直徑的十分之一的距離）。

    如果該探測器能有所發現，它將是愛因斯坦相對論最至高無上的勝利。如果該探測器一無所獲，科學家們將不得不再次從重力理論出發，為宇宙建立新規則。

    激光空間干涉引力波探測器LISA對脈沖雙星的觀測是間接證實引力波存在的有力證據，然而對來自宇宙深處的引力波的直接觀測始終未能實現，這也成為了相對論前沿研究的主要課題之一。已經有相當數量的地面引力波探測器投入運行，最著名的是GEO600、LIGO（包括三架激光干涉引力波探測器）、TAMA300和VIRGO；而美國和歐洲合作的空間激光干涉探測器LISA正處于開發階段，其先行測試計劃LISA探路者于2009年底正式發射升空。

    對引力波的探測將在很大程度上擴展基于電磁波觀測的傳統觀測天文學的視野，人們能夠通過探測到的引力波信號了解到其波源的信息。這些從未被真正了解過的信息可能來自于黑洞、中子星或白矮星等致密星體，可能來自于某些超新星爆發，甚至可能來自宇宙誕生極早期的暴漲時代的某些烙印，例如假想的宇宙弦。

    激光空間干涉引力波探測器

    歐洲航天局的激光干涉探測器新引力波天文台（NGO，原名“激光干涉空間天線”，LISA）目前正處于開發研究階段，其先行測試計劃LISA Pathfinder（LISA探路者）將于2014年底之前正式發射升空。

    “探路者”計劃也能確認廣義相對論中與重力有關的一切描述是否屬實。另外，該設備在穿過“鞍點”（地球和太陽的重力在“鞍點”相互抵消）時會厘清，當重力加速度極小時，愛因斯坦的理論是否仍然站得住腳。如果確實如此，這些引力空隙將是諸如修正牛頓引力理論（MOND，以色列科學家莫德采•米爾格若姆于1981年提出了該理論，來解決暗能量與星系自轉問題）等其他目前比較流行的理論的“葬身之地”。

    搜尋暗物質的“芳蹤”

    今年是首次假定暗物質存在80周年。如今，80年過去了，我們依然沒有揭開這種難以捉摸的物質的“神秘面紗”。

    理論指出，星系和星系團都包裹在暗物質粒子所構成的巨大物質雲（暈）之中，這種物質被稱為“弱相互作用大質量粒子（WIMP）”。科學家們耗費巨資，使用最尖端的設備並設計出了很多極端精確的實驗，希望從茫茫宇宙中將這些狡猾的家伙揪出來。DAMA/LIBRA（碘化鈉晶體暗物質搜索實驗） 、CoGeNT和CRESST（超導溫度計探測低溫稀有事件）三大實驗是其中的佼佼者，據報道，這些實驗似乎已經發現了某些疑似暗物質的物質。

    另外，據英國《每日電訊報》網站2012年7月8日報道，歐洲核子研究中心（CERN）表示，他們的大型強子對撞機（LHC）已經發現了疑似希格斯玻色子的粒子，下一步將著手搜尋暗物質，為了完成這一目標，他們將耗資12億歐元對LHC進行升級。

    實際上，此前，DAMA實驗宣稱，他們已經探測到了這些暗物質粒子。DAMA實驗位于意大利中部地底下的格蘭薩索國家實驗室，科學家們以總重約兩百五十公斤的二十五個超純碘化鈉晶體進行實驗。13年來，DAMA觀測到的信號呈現季節性變化，夏天出現的多于冬天。DAMA團隊認為，這種年度變化是由于地球圍繞銀河系中心和太陽的軌道運動所致。在北半球的夏季，圍繞太陽的公轉運動會使地球高速沖入看不見的銀河系暗物質的雲中，增加WIMP擊中探測器的幾率。

    最近，另外兩個合作項目CoGeNT和CRESST的觀測結果似乎也支持DAMA的說法，但是其他實驗並未檢測到類似DAMA實驗的WIMP應有的信號。目前，關于DAMA、CoGeNT以及CRESST究竟是的確觀測到了暗物質粒子，還是僅僅被一些鮮為人知的背景干擾以致形成了期待中的信號的假象，科學界尚未達成一致意見。

    也有科學家認為，宇宙之間根本不存在所謂的暗物質。其實，真正的問題在于，我們對我們正在尋找的暗物質知之甚少，我們需要更多數據和其他實驗來理解這些實驗。

    中微子工廠

    中微子實驗——諸如位于中國廣東省大亞灣的實驗最終會有什麼發現，我們完全無法預測。科學家們迄今還沒有完全搞清楚這個“魔鬼”粒子的屬性，而且，這種粒子與其他粒子的交往太少，因此，要想對它們有所了解，需要海量的中微子才行。

    nuSTORM或許可以解決這個問題，科學家們將nuSTORM稱為可以批量制造出大量受控制的中微子束或反中微子束的“工廠”。這一工廠或許有助于科學家們厘清中微子的性質以及有多少種中微子，以最終解決這樣一個問題，是否還存在其他類型的不相互作用的惰性中微子？

    空間中的量子理論

    在幾千公里的範圍內發射光量子的實驗迄今僅僅證實，這些粒子之間存在著令人詫異的相互關系和糾纏。當然，科學家們並不滿足于此，他們正在開展一些實驗以通過衛星在幾大州之間發射光量子。這是在空間中的更大距離內測試量子理論的第一步，在這一距離範圍內，相對論的扭曲變得非常明顯。這些實驗還有一些附贈品，那就是，科學家們可以弄清楚，當量子理論和相對論相踫撞時，會發生什麼事情。(記者 鄭煥兵 綜合外電)

    《科技日報》（2013-5-7 八版）

(中國科技網)