八个让科学家夜不能寐的大问题

摘要: 我们从何处来?我们是谁?我们向何处去?......

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And when [man] has conquered all the deeps of space and all the mysteries of time —— still he will be beginning

——H.G.Wells


人类拥有着无限的求知欲。我们不停的发出疑问,并试图阐明背后的原理。到目前为止,我们在理解宇宙的奥秘上已经做的相当好了。但还远远不够,每当我们解决了一个问题,就会立即产生一个新的谜题。下面我简述八个大问题,科学家为此绞尽脑汁,却还不知道我们离真理有多远。但他们已经开始了一系列探测计划帮助我们寻找答案。


1. 我们从哪里来?


△ 宇宙经历了一次又一次的膨胀和收缩。


我们有很说服力的证据表明,宇宙诞生于约138亿年前。但这是否真的是故事的开始?有没有可能,在那之前宇宙就存在了?我们的宇宙是否是由两个平行宇宙对撞而产生的?又或者宇宙是一直在循环的?老实说,我们可能永远也得不到真正的答案......


任务:高能X-射线卫星EXIST


△ EXIST(图片来源:NASA)


未来的太空望远镜将更好的研究从遥远伽玛射线暴发出的光线,这或许可以帮助物理学家寻找“圈量子引力”理论的证据,该理论预言了大爆炸是由之前存在的宇宙坍缩而形成的。


扩展阅读:《最最基本的大问题:宇宙是如何开始的?》


2. 什么是暗能量?


△ 通缉暗能量!(图片来源:Artwork by Sandbox Studio, Chicago)


或许它是一种未知的力或能量,占据了宇宙总质量-能量的68.3%。或许是一种神秘的引力性质,又或许跟额外维度有关。我们对它一无所知。只知道是它导致了宇宙加速膨胀。


任务:WFIRST (2020年代中期)


△ WFIRST的艺术描绘。(图片来源:NASAs Goddard Space Flight )


NASA研发的宽视场红外巡天太空望远镜(WFIRST)将调查暗能量究竟是一种能量或者一种引力现象。


扩展阅读:《如果能量不守恒......》


3. 时间的箭头


△ 时间的不对称性:破蛋不能够重圆。(图片来源:BBC)


从直觉上我们都知道,时间是方向不对称性的,它只向前流逝,一个破碎的鸡蛋永远无法自发的“破蛋重圆”。有一些人认为这是热力学第二定律所导致的,有一些人则认为是暗能量的结果。甚至有一些人在鼓吹时间之前的时间,即在大爆炸之前的一个时期,时间实际上是逆流的。


任务:太空引力波探测器站 (2030年代)


△ eLISA引力波探测器。(图片来源:ESA)


超灵敏太空阵列允许我们研究时空的涟漪——它们来自大爆炸之前,携带着宇宙诞生之前的状态的信息。


扩展阅读:《时间之箭:从熵到大爆炸再到万物理论》《暗能量是导致时间总是指向未来的幕后黑手?》


4. 什么是暗物质?


△ 暗物质有许多候选者,比如轴子、WIMP等。(图片来源:NASAs Goddard Space Flight )


通过引力效应,科学家推测暗物质占据了宇宙总质量-能量的26.8%。科学家提出了许多暗物质的候选者,比如WIMPs、轴子和额外维物质等。但也有可能根本不存在暗物质,只是目前最好的引力理论——广义相对论需要得到修正。我们仍然在黑暗的迷雾之中......


任务:欧几里得探测器 (2020年?)


△ 欧几里得卫星的艺术描绘。(图片来源:ESA)


欧洲航空局提出了欧几里得任务,通过精确地测量宇宙膨胀来寻找暗物质的本质。


扩展阅读:《探索宇宙的黑暗面》


5. 为什么是物质?


△ 氢:由质子和电子组成;反氢:由反质子和正电子组成。


当物质和反物质相遇时,它们会湮灭产生能量。科学家认为在宇宙诞生后,应该有等量的物质和反物质产生,结果就是全部湮灭,只留下一片能量。但现在我们看到宇宙中有碳基生命、行星、恒星和星系。是什么导致现在的宇宙中只剩下物质?而没有反物质?


任务:LHCB


△ LHCb探测器。(图片来源:LHCB)


在CERN的大型强子对撞机(LHC)中的“美丽实验”(或称为底夸克实验)中,科学家通过研究底夸克的相互作用试图理解物质-反物质不一致的秘密。


扩展阅读:《为什么我们都是由物质组成?而不是反物质?》《对称性的又一次胜利》


6. 万物皆由弦构成的吗?


△ 世界是由一维的弦组成的吗?(图片来源: flickr user Trailfan)


10到26维,D-膜和S-对偶,卡拉比-丘流行和M-理论。欢迎来到奇异的弦理论世界!在这里,一维弦的振荡构成了我们世界的一切。但问题是:我们要怎么验证它的正确性?


任务:天文测量


△ 等效原理。(图片来源:http://www.astro.cornell.edu/)


通过超级灵敏的下一代望远镜对太阳系以外的天体进行精确测量,或许能够探测到违反爱因斯坦的等效原理的迹象,有些人认为这是弦理论的一个强有力证据。


扩展阅读:《十个问题,带你认识弦理论》《爱因斯坦的陀螺》


7. 我们是孤独的吗?


△ 上行为德雷克方程,下行为Adam Frank提出的新方程。(? A. Frank/University of Rochester)


宇宙中存在着生命——我们的存在证明了这一点。但是,我们是唯一吗?或许在宇宙的各处都有生命在演化着?如果有其它的外星智慧生命,他们会跟我们问一样的问题吗?又或者他们不想被我们找到?


任务:突破倾听


△ 从左自右:Yuri Milner、Stephen Hawking、Martin Rees、Frank Drake、Ann Druyan 和 Geoff Marcy.


这个一亿美元的项目,是由俄罗斯亿万富翁Yuri Milner发起资助的。目标是扫描离我们最近恒星,甚至是星系中有可能是智慧来源的射电和光信号。这是寻找外星生命最雄心勃勃的计划。


扩展阅读:《人类在宇宙是孤独的吗?》《外星人究竟在哪里?一个你可能不会喜欢的答案》


8. 我们何处去?


△宇宙的可能面临的命运?(图片来源:NASA/STSc)


宇宙的最终命运是什么?宇宙会在某个时刻突然停止膨胀,并开始收缩回到它刚诞生时的状态吗?或者它将不断地膨胀下去,并最终将一切撕裂?又或者宇宙将达到热寂状态,一切事物都将处于一个温度,但随着持续膨胀,宇宙会变得越来越冷,直至陷入一片死寂?又或者,未来人类将足够强大到能够掌控时空的命运?只要时间能告诉我们.......


任务:下一代望远镜


△ 詹姆斯·韦伯太空望远镜。(图片来源:NASA/STSc)


新的望远镜,比如詹姆斯·韦伯太空望远镜和引力波探测器,将帮助我们正确的测量宇宙的膨胀率,允许我们更精确的测量宇宙中的密度。


扩展阅读:《宇宙的命运》


编辑:yangfz


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