七個可能會改變世界的物理實驗（也可能不會）

（本文由 Nautilus 授權轉載，譯/姜Zn）實驗科學家有時候是個吃力不討好的工作。你可能在新聞頭條中讀過很多關於得出重大發現的實驗報道，但是對於那些還沒能觀測到期望結果的實驗者們，他們作出的努力（常常甚至是壯舉）你可能知之甚少。

這些在實驗上付出的努力，有些跨越了幾十年的時間，凝聚了幾代人的勞動和專業知識。毫無成果的研究常常和世人皆知的大發現一樣有科學價值：我們能了解到更多知識——自然世界不是什麼樣的，或者沒有什麼東西。但是倘若得到了一個正面的結果，則會對我們產生遠為深刻的影響：它會改變我們對宇宙的認識，或我們在宇宙中的角色。

以下是7項還在進行中的實驗，它們目前都還沒有找到想找的答案。但這些實驗全都因設計精巧和充滿野心而出眾，不難想象為什麼這些實驗能夠堅持不懈地持續推進了。

為了「照亮」暗物質，把一箱液態氙埋到地下

科學家們推論，所有我們能觀測到的星系都被宇宙中的某種結構支撐著，而構成這種結構的則是暗物質的「細絲」。環繞著各個星系的暗物質圈提供了額外的引力，使得恆星得以繞著星系的核心旋轉。但是我們從未直接探測到過暗物質。過去的幾十年裡科學家們做出了許多嘗試，試圖通過暗物質與普通物質間極弱的作用來探測暗物質，但是全都一無所獲。

在暗物質的諸多可能的存在形式中，所謂的弱作用重粒子（WIMP）對於粒子物理學家是比較可信的形式之一。LUX（「大型地下氙實驗」）的實驗場所的前身是一處礦井，位於美國南達科他州的地下1510米處；它給暗物質探測實驗設立了相當高的標準。LUX由大約三分之一噸的液態氙和探測器組成。它被密封在一個裝有72000噸高純度水的容器中，水的作用是過濾掉有干擾性的宇宙射線。環繞在液態氙周圍的探測器極其靈敏，能夠捕捉到暗物質與哪怕一個氙原子碰撞所放出的微弱光線。

由於LUX沒能探測到暗物質，科學家們計劃對它進行升級——升級后的LUX-Zeplin實驗會使用約20倍於LUX的液氙量。至於LUX-Zeplin能否有LUX沒能取得的發現，目前仍未可知。大自然似乎有著嘲弄科學家的夢想和希望的嗜好。

為了（真正）看清宇宙大爆炸殘留的引力波，鑽研各種頻率

引力波是電磁輻射的引力版。宇宙大爆炸時期形成的引力波（原初引力波）理應會在宇宙微波背景中留下獨特的痕迹；宇宙微波背景則是宇宙大爆炸所殘留的輻射，而大爆炸形成了我們身處的可觀測的宇宙。這種引力波的痕迹在溫度和偏振上會有細微的波動，它可以為我們提供宇宙在中性氫剛剛形成的特定時期的簡要情報——那時宇宙只有379000歲。這種痕迹應該會有一種旋轉的偏振模式，學名叫「B模偏振」。

宇宙泛星系偏振背景成像（BICEP）和凱克天文望遠鏡陣列（Keck Array）的合作實驗在2014年宣布一個激動人心的消息：他們探測到了這種B模偏振。然而，他們探測到的B模偏振的源頭實際上只是很普通的東西，原本以為是原初引力波，其實則是極化了的塵埃顆粒。在銀道坐標系的高緯度地區，如果量足夠大，這些塵埃可以產生類似於引力波的B模偏振的旋轉模式。

BICEP和凱克的合作團隊並沒有氣餒。他們升級了配置：BICEP3由大約2500個探測器（又叫做「輻射熱測量計」）組成，比起它的前身，BICEP3可以探測低得多的宇宙微波背景的頻率。歷代不同版本的BICEP已經觀測了十年，科學家們還是沒能探測到由原初引力波發出的B模輻射。但是對B模輻射的探索並不會在短期內停止——實際上，試圖首先探測到它的競爭才剛剛開始升溫。

為了了解強核力與弱電相互作用力是否有聯繫，尋找光的「音爆」

從量子力學的開端，到認為弱核力（某些類型的放射性衰變與它有關）和電磁力實際上是同一種『電-弱』力的不同形式，經過幾十年的理論與實驗的相輔相成，最終人們得到了所謂的粒子物理學標準模型。只有在我們熟知的標準實驗室的環境下，電磁力與弱核力才表現出不一樣的特性。這是由於希格斯場將質量賦予與它進行作用的粒子，從而隱藏了這兩種力之間潛在的對稱性。

在標準模型中，我們認為還有一種力可以和弱電相互作用力聯繫起來：強核力。在一種名為「大統一」的過程中，能量級達到CERN（歐洲核子研究中心）能量極限的萬億倍時，強核力和弱電相互作用力有著相近的特性。大統一理論的預測之一是，本應是穩定粒子的質子可能會衰變成其它粒子——例如π介子和正電子——儘管這種現象極其罕見。在一些模型里，質子的半衰期可能會達到宇宙年齡的一百億億億（10^26）倍。

超級神岡中微子探測實驗——以及它正在籌劃中的升級版，究極神岡中微子探測實驗——位於日本中部的神岡實驗室的一座山下1000米處。它們的任務之一是在裝滿了極高純度的水的巨大水箱中探尋那種罕見的質子衰變的蛛絲馬跡。通過尋找被稱為切連科夫輻射的微弱光線（相當於光的「音爆」），超級神岡中微子探測實驗的目標是尋找質子衰變成的那些能量極高的粒子。

美國愛達荷國家實驗室的先進試驗堆，切連科夫輻射發出微光。圖片來源：美國阿貢國家實驗室

目前為止，一無所獲。不過，究極神岡中微子探測實驗預計可以在2020年投入使用。它計劃達到的探測靈敏度將比它的上一任提升十倍。

為了證實超對稱，檢測中子

粒子物理學的標準模型認為，中子（它和質子一起組成了原子核）的電偶極矩（EDM）極其微小（EDM是相反的兩種電極之間固定的間距）。中子的EDM之小可能正是它沒有被探測出來的原因。但是超對稱理論——該理論認為力和物質是統一的——拓展了標準模型，它預測的EDM可能能達到標準模型預測的10萬倍之大。

通過尋找中子EDM的範圍，科學家可以測試超對稱是否在自然中存在；通過這種方式得到的結果比通過粒子加速器實驗得到的更準確。位於法國格勒諾布爾市的勞厄 - 朗之萬研究所（Institute Laue-Langevin）的CryoEDM實驗就是其中之一。通過觀察超慢中子在磁場和電場中的「進動」（自轉軸方向的變化），我們可以對中子的EDM進行精準的測量，因為如果中子EDM存在，它的進動率在這兩種場內將會有所不同。

當CryoEDM達到它設計中的最高靈敏度時，如果還檢測不到EDM，那就基本可以否決超對稱性的存在。另一方面，如果它能檢測到EDM，那將是證明超對稱在自然中存在的有力線索，因為標準模型預測中的EDM微小到無法被現有的實驗設備檢測出來。

為了看到更高的維度，給引力來個特寫

如果更高的維度存在，它們將可以影響引力在極短距離內的表現。這不但意味著它們會偏離牛頓引力的平方反比定律，而且標誌著一種新的短距離引力的存在，這將會違背所謂的等效原理。等效原理指出，在同一個引力場內，所有的物質——不管是炮彈還是蘋果——都會以完全相同的方式下落。高維度會多些麻煩的原因是，控制高維度規模的場本身會模仿引力的效果，但這種情況只發生在極短的距離之內，而且對於不同類型的物質，它的影響也不同。

科學家認為時空間的更高緯度可能會以六維卡拉比－丘流形的形式存在，鏡像對稱的假說就源自於這個想法。圖片來源：Lunch

雖然愛因斯坦的廣義相對論已經通過了從太陽系尺度到宇宙尺度的全面考驗，科學家們近期才開始在亞毫米尺度上對它進行系統的測試。

華盛頓大學的埃特-沃實（Eöt-Wash）小組（以埃特沃斯男爵Baron Eötvos命名，他在20世紀初開創了這樣的實驗）正利用精確校準的扭秤搜尋違背等效原理（以及偏離平方反比定律）的現象。他們的觀測尺度已經接近幾十萬分之一米。目前為止，他們還沒發現不符合牛頓定律或是等效原理的現象；這意味著更高的維度（如果存在的話）蜷曲在遠小於幾十分之一微米的區域內。

為了一窺宇宙學「黑暗時代」，收聽微弱的電波信號

我們對於宇宙歷史中的一個時期知之甚少，即所謂的「黑暗時代」。這是「複合」之後的一段時期，彼時中性氫剛剛形成，恆星還沒有開始發光。一個單獨的氫原子並不會釋放多少輻射；然而，就像行星會在公轉的同時自轉一樣，圍繞氫原子核的運行的唯一一個電子也會圍著一條軸「自轉」。電子自轉與公轉運動的方向或是相同，或是相反；後者的能量會更低。

黑暗時代中，一部分中性氫被宇宙微波背景激發了：它們的電子會以能量更高的自轉與公轉同向的形式運動。當這些被激發的氫原子轉變到低能量的 「非同向」的運動模式時，它們會放出一種頻率約為14億赫茲的輻射，這種輻射相當於一種十分微弱的，波長約21厘米的無線電波，檢測到這種被稱為「21厘米背景」的輻射能讓我們直接觀測到黑暗時代。

分佈於歐洲（主要在荷蘭）的低頻射電陣望遠鏡（LOFAR）由一組大約20000個相控陣天線組成。它們從2012年開始向宇宙中窺探，試圖探測到這種非常弱的信號。然而地球，以及它所身處的星系，是很嘈雜的；目前為止，探測到蓋過我們身邊的雜訊的，來自黑暗時期的信號是件不可能的事。一項雄心勃勃的項目正在推進中：一個名為平方千米陣（SKA）的國際望遠鏡矩陣也許可以將實驗推進一步，不過現在，黑暗時代依然是黑暗的。

為了發現外星人，只需永遠側耳傾聽

如果能發現宇宙中存在著其他智慧生命的確鑿證據，這將會是人類文明的一個分水嶺。自從無線電技術出現以來，人類就在通過各類實驗試圖搜尋地外文明的痕迹。我們最基本的假設是，（外星）人為的電波信號的頻率範圍會很窄，也會有重複性，所以就像人類發送的無線電一樣，可以和宇宙中自然產生的電波區別開來。1977年我們探測到了一次非常誘人的候選信號，但是此後它再也沒有出現過，我們也沒法排除它是自然形成的可能性。

位於波多黎各的阿雷西博天文台參與了對地外文明的搜尋。圖片來源：美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）

搜尋地外文明計劃（SETI）仍在繼續。SETI專用的多種射電望遠鏡中有一種叫做艾倫望遠鏡陣（ATA），它最近又新添了名義上用於尋找系外行星的技術。科學家們還提出要用SETI來尋找外星人的巨型結構；這是基於物理學家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）的設想：高級文明可能會用巨型的設施（戴森球）來直接從母恆星中獲取能量。雖然幾十年來人類尋找地外文明的共同努力全都一無所獲，但是我們現在有著史上最好的裝備來解決亞瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）的著名的憂慮：「有兩種可能：我們在宇宙中是孤單的，或者我們不是。兩者同樣令人恐懼。」（編輯：小Alice呀）

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