程智
21世纪理论物理学的乌云?
2025-6-24 10:30
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今年 3 月,Pierre Auger天文台科学家在《物理评论快报》上发表了一篇论文,探讨了一个在南极上空长达 10 年时间观察到的两个无线电波异常事件。目前,这一结果似乎尚无定论。也就是说,将近二十年时间中,这个结果即便经过了世界各地的物理学家进行了仔细审查,仍然无法从理论上解释这一异常的无线电波事件。

实际上,这一异常的无线电波事件现象并不复杂。在 NASA 的南极脉冲瞬态天线(ANITA)实验中,发射了一个携带无线电信号检测实验装置的气球。该实验在 2006 - 2016 年期间,通过高空气球携带仪器在南极上空飞行,持续了整整 10 年。在这 10 年的飞行过程中,除了预期的实验结果之外,还检测到了两个来自地面发射的异常无线电信号,而现有的物理学理论无法对其进行解释。

从宇宙高能粒子无线电波信号辐射的角度来看,这两个信号异常之处在于,它们是直接从地面往上传输的。以现有的物理学理论而言,能够穿透地球几千公里岩石的无线电波信号是不可能存在的。所以,唯一合理的推测是,这些无线电波信号是在地球表面产生的。要产生这些无线电波信号,需要满足一些必要条件,例如微观粒子与大气层、岩石或冰块相互作用,从而激发出无线电波辐射。

然而,与高空气球探测器同步工作的南极冰盖下的冰立方(IceCube)中微子探测器的检测结果显示,当高空探测器检测到异常无线电波脉冲时,位于地表的冰立方探测器却未能找到相应的中微子信号源。考虑到南极冰立方探测器的灵敏度非常高,基本上可以排除这些异常的无线电波脉冲是由中微子穿透所产生的。因此,至少在粒子物理学的标准模型框架之内,目前仍然无法解释这两个异常的无线电波脉冲。这样看起来这一事件的地位,或许会如同上个世纪理论物理中的“两朵乌云”一般特殊。

Pierre Auger天文台今年发表的这篇论文,距离发现这两个异常的无线电波信号的实验结束已经过去了将近 9 年。在物理学界经过这么长时间仍未能给出可信解释,这在一定程度上证明了这两次异常的无线电脉冲事件确实超出了目前理论物理标准模型的解释范畴,或者说,现有的粒子物理学理论无法对这一现象作出合理阐释。

当然,如果要超出现有的标准模型来解释这两个异常的无线电脉冲信号,并非没有可选方案。例如,暗物质理论就值得深入探究。毕竟,如果存在目前尚未被发现的暗物质粒子,这些粒子只与可见物质产生非常微弱的引力相互作用,那么它们就能够轻松穿透几千公里的地球岩石,然后以极小的概率与地面的物质(如冰块、空气、海水等)相互作用,激发出无线电波信号,并被南极上空的 ANITA 高空气球探测到。但这种解释也存在明显缺陷,目前支持暗物质的理论还不够完善,而且暗物质极难探测,要获得像可见物质那样充分的实验和观测数据,难度非常大。

无论如何,相信这两个异常的无线电波脉冲必将对今后的理论物理学发展产生极其重大的影响,或许其地位能与 19 世纪末期的黑体辐射等“两朵乌云”相媲美。

Pierre Auger天文台论文地址:Search for the Anomalous Events Detected by ANITA Using the Pierre Auger Observatory | Phys. Rev. Lett.

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