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TBBT第5季1-2集:优美粒子化解暗物质(附视频)

自从剧集开始,制片方就希望我能够安排Sheldon和Leonard在连续的几集中用 白板 解决一个真实的难题,但实在没那么容易。如果他们解决的问题已有答案,那么任何人都可以做到,就没有什么惊喜可言。而如果他们尝试的是未解之谜,那就已经有成百上千人在钻研了,他们(其实是我)又怎么可能在短短一季节目中解出来呢?



轴子理论:美丽的意外

我们需要一个既新鲜、又有迹可寻的难题。过了一个夏天,我终于有了主意:让物理学家看到一种前所未见的粒子,还可以顺便解决暗物质的难题。这种粒子可能充满着我们的银河系,用它们的引力使银河系在高速自转下也不至于散成碎片;但它们与其他物质的相互作用又如此微弱,往往悄无声息地横穿整个地球。

在关于它的假设被提出30余年后,我想出了一种新方法来寻找这种 “轴子”。

轴子(The Axion),在解决暗物质问题中的意义其实只是个美好的副产品。上个世纪70年代,轴子的提出是为了解释为什么强相互作用力(即量子色动力学)遵循的理论呈现出某种不可思议的对称性。之后人们开心地发现,银河系中所有的暗物质也都可以用轴子来解释。于是两个不相干的难题就这样同时得到了解释,如果优美可以作为一项指标,理论物理学家很可能会将这些问题视为尘埃落定。

不幸的是,物理学是一门实验科学,不能仅靠优美。历史废纸篓中的理论简单优雅,却是一派胡言。我们必须靠实验来求证。

求证:将望远镜指向太阳

在高温、高密度环境下,带电粒子会放射出大量轴子。太阳的中心温度高达1300万开尔文(※此处经读者指出后已更正),密度是水的150倍。正如白板上费曼的图表所示,这种环境下的电子会放射出可以被探测到的轴子。由于与其他物质间的相互作用极弱,它们会穿过太阳飞向四面八方,其中很少一部分能到达地球。

轴子的一个有趣之处在于,它们能够在强大且均匀的磁场中变成光,每个轴子对应一个光子。由于来自太阳核心的轴子带有1300万开尔文的高温,由它们转化来的光子已经是高能的X射线了。

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欧洲核子研究中心的轴子太阳望远镜,也就是CAST。其实就是冲着太阳的一大敦磁铁。

天体物理学家要做的,就是检测到这些来自太阳的轴子。欧洲核子研究中心(CERN)不仅有大型粒子对撞机,也配有一台指向太阳的智能望远镜(上图,超大清晰图像点击 CAST )。这台望远镜既要能够检测到悄无声息的轴子,又要免受更广泛的背景辐射干扰。

每一个清晨与黄昏,CERN的天体物理学家从大型粒子对撞机项目中借来原始的磁铁,把它指向太阳。他们把该项目称为“CAST_CERN轴子太阳望远镜”( the CERN Axion Solar Telescope )。当且仅当望远镜指向太阳时磁场中检测到X射线,就可以排除本地背景辐射的影响,确定检测到了轴子。不幸的是,这一天至今尚未到来。

机会:地球上的人造太阳

这套技术白白浪费掉了千千万的轴子。能够到达地球的轴子已是凤毛麟角,其中只有能进入磁铁前孔径的才能被探测到,大概在 1025 个轴子中才会有一个。其中,又只有极小的一部分会转化成光子。

太阳离我们实在太远了。不过,机会倒也不是没有。

加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(The National Ignition Facility)的物理学家用192束激光照射重水小球,在地球上造出了一个人造太阳,尽管只维持了大约千亿分之一秒。

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物理学家用192束激光照射重水小球,在地球上造出了一个人造太阳。

他们把这套装置视为未来能源工厂的原型。尽管1000亿瓦的功率与太阳相比仍是天壤之别,但我们可以把轴子望远镜放到10米之外,而非太阳与地球1500亿米之遥。由于被检测到的几率与距离的平方成反比,最终结果一下子就增大了将近 1020 ,足够弥补功率下降带来的不足。

数字计算看上去非常不错,我为此十分激动。同时考虑距离和功率改变后,我估计这一方案的成功率大概是CERN的1000倍。另外,由于人造太阳只燃烧千亿分之一秒,背景干扰会被大大降低;由于磁场不需要跟随太阳运动,也可以使用更巨大的磁铁。

不过故事还没完,其实白板上的演算还会贯穿第3集。我猜哥伦比亚广播公司(CBS)大概想留点悬念吧。等到第3集播放了,我的计算结果也就会揭开。那么现在我要说的就是:精彩未完,下集再续……


更正说明:

由于编辑疏忽,误将 “The core of the Sun is over 13 million kelvins (over 23 millions degrees Farenheit)” 处理为 “太阳的中心温度高达1300万开尔文(约合1260摄氏度)”,此表述有误。这里不应单纯把华氏度换算为摄氏度。经读者指出,现已更正。多谢Ent不老神仙 以及fulkasn


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博主介绍: 大卫·萨尔兹保(David Saltzberg)是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时,他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语,全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。


原文看这里



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The End

发布于2011-09-26, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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莱尼

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