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。

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10的25次方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。

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10的20次方，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。

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