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天文學(xué)家已經(jīng)對(duì)宇宙有了廣泛的了解而且日新月異。然而，盡管通過(guò)強(qiáng)大的空間望遠(yuǎn)鏡我們能夠洞察宇宙深處，通過(guò)機(jī)器人我們能探訪太陽(yáng)系的邊緣，但是有仍一些最基本的問(wèn)題還沒(méi)有答案。這里將列出其中最大的十個(gè)。 1.大爆炸之前存在什么？ 天文學(xué)家過(guò)去的標(biāo)準(zhǔn)回答是：這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有意義——因?yàn)槟氵€可以問(wèn)在北極以北存在什么。但是，這一態(tài)度正在轉(zhuǎn)變。有越來(lái)越多的理論正在被提出來(lái)，它們不僅預(yù)想了大爆炸之前的時(shí)間，甚至還有其他的宇宙。 我們知道什么？ 大爆炸是由確鑿的證據(jù)建立起來(lái)的理論，描述了自宇宙比原子還小時(shí)起至今的演化歷程。但這個(gè)理論并沒(méi)有告訴我們?nèi)魏斡嘘P(guān)宇宙是如何以及為什么起源——或者在此之前存在什么——的信息。一種可能性是在大爆炸中創(chuàng)造出了我們已知的時(shí)間和空間。然而，并不能由此得出在大爆炸發(fā)生前空無(wú)一物的結(jié)論。 古希臘哲學(xué)家巴門(mén)尼德說(shuō)：“不可能無(wú)中生有?！贝搜酝瑯右策m用于大爆炸，科學(xué)還沒(méi)有辦法解釋宇宙是如何從“無(wú)”創(chuàng)生的。結(jié)果是，有越來(lái)越多的宇宙學(xué)家正在思考是某種東西引發(fā)了大爆炸的可能性。有一些理論正試圖為此提供答案。 其中之一便是永恒暴脹，它提出膨脹的宇宙會(huì)在真空中不斷地被創(chuàng)造出來(lái)，它們每一個(gè)都會(huì)像泡泡一樣的膨脹。該理論認(rèn)為，我們的宇宙就是這些泡泡中的一個(gè)，而其他的宇宙則存在于不同的泡中。不過(guò)，這些其他宇宙中的每一個(gè)在時(shí)間和空間上都彼此遠(yuǎn)離，不可能進(jìn)行相互間的通訊。這個(gè)真空會(huì)以極高的速度膨脹，使得不同宇宙間的距離不斷拉大。 其他的理論則專注于循環(huán)宇宙的想法，即宇宙會(huì)經(jīng)歷創(chuàng)生、毀滅和重生的循環(huán)。盡管這些理論能為大爆炸之前提供一個(gè)可能的解釋，但它們?nèi)詻](méi)有解決一個(gè)甚至更基本的問(wèn)題：為什么在一開(kāi)始就會(huì)有東西存在于那里，而不是“空無(wú)一物”？ 我們能獲得答案嗎？ 通過(guò)宇宙背景輻射，也許能尋找其他宇宙在我們宇宙中所留下的印跡。已有嘗試，但沒(méi)有成功——估計(jì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里都難以取得進(jìn)展。  2.為什么宇宙沒(méi)有在形成后就立刻湮滅？ 大爆炸理論提出，當(dāng)時(shí)間開(kāi)始時(shí)，物質(zhì)和反物質(zhì)會(huì)等量地被創(chuàng)造出來(lái)。如果確實(shí)如此，那么當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相接觸時(shí)，宇宙就應(yīng)該轉(zhuǎn)化成純粹的能量形式，即在超強(qiáng)的輻射中毀滅。但宇宙卻存活了下來(lái)，而且?guī)缀醪缓魏畏次镔|(zhì)。 我們知道什么？ 我們對(duì)于這個(gè)世界的許多觀念都基于大自然的對(duì)稱法則。但是在宇宙誕生之初，每形成10億個(gè)反物質(zhì)粒子，就會(huì)形成10億外加1個(gè)物質(zhì)粒子。這正是為什么宇宙至今仍存在的原因。 這一不平衡打破了電荷宇稱對(duì)稱性，后者維持著每個(gè)粒子都有一個(gè)與之等效的、電荷相反的反粒子?？茖W(xué)家們需要在與目前的標(biāo)準(zhǔn)模型——它從數(shù)學(xué)上可以解釋宇宙中所有已知的粒子——相容的框架下來(lái)解釋電荷宇稱對(duì)稱性的破缺是如何發(fā)生的。當(dāng)然，這些現(xiàn)象也需要在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，由此科學(xué)家們才會(huì)去尋找它背后的原因。 物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)能制造出物質(zhì)和反物質(zhì)。但已經(jīng)觀測(cè)到的電荷宇稱對(duì)稱性破缺太微不足道，無(wú)法解釋宇宙中差別。 然而，科學(xué)家們?cè)?010年取得了進(jìn)展，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造出的μ介子要比反μ介子多1%。這雖然體現(xiàn)出了差別，但我們?nèi)圆恢涝撊绾谓忉尅?br> 我們能獲得答案嗎？ 在發(fā)現(xiàn)了微小的電荷宇稱對(duì)稱性破缺多年之后，我們現(xiàn)在已經(jīng)看到了標(biāo)準(zhǔn)模型的不足之處。更多的實(shí)驗(yàn)將會(huì)拉近我們和這個(gè)問(wèn)題答案之間的距離。 3.物質(zhì)是如何聚集成星系的？ 緊接著在大爆炸之后，宇宙中便充滿了高溫且發(fā)光的氣體。幾億年之后，這些氣體中的一部分聚集形成了第一代星系。但這一星系形成過(guò)程究竟是如何開(kāi)始的呢？ 我們知道什么？ 今天我們所能觀測(cè)到的星系都形成于大爆炸之后不到5億年的時(shí)間里。它們發(fā)出的光需要非常長(zhǎng)的時(shí)間才能抵達(dá)地球，于是當(dāng)我們朝宇宙深處望去的時(shí)候，其實(shí)就等價(jià)于在回溯時(shí)間，這讓我們可以看到宇宙剛形成后不久時(shí)天體的樣子。 得益于這些觀測(cè)，天文學(xué)家們對(duì)于星系形成是如何開(kāi)始的有了一些認(rèn)識(shí)。他們可以大致看到小型星系之間的碰撞并逐漸融合成目前我們所看到的大型星系。但不清楚的一點(diǎn)是，是什么原因使得充滿宇宙的氣體開(kāi)始聚集成星系的。 天文學(xué)家主要專注于兩個(gè)主要因素。一個(gè)是由大爆炸所產(chǎn)生的密度漲落。這些漲落使得氣體的分布并不均勻——在某些地方氣體的密度會(huì)比其他地方稍高一點(diǎn)。天文學(xué)家們?cè)J(rèn)為，在高密度區(qū)域中，氣體會(huì)以更快的速度收縮，之后便形成了星系。但計(jì)算表明，這一密度不足以形成星系。于是另一個(gè)因素——暗物質(zhì)——登上了舞臺(tái)。 暗物質(zhì)仍是理論上的物質(zhì)，它們和普通物質(zhì)之間僅通過(guò)引力發(fā)生相互作用且和普通物質(zhì)有著不同的行為。計(jì)算機(jī)模擬顯示，暗物質(zhì)會(huì)迅速聚合成形似蛛網(wǎng)、充滿宇宙的長(zhǎng)細(xì)絲結(jié)構(gòu)。這些細(xì)絲也許能為星系形成提供所需的額外引力，特別是當(dāng)這些細(xì)絲彼此相交時(shí)。 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡新近的觀測(cè)表明，星系的分布與暗物質(zhì)細(xì)絲的分布大致相當(dāng)，預(yù)示后者可能在星系形成中起到了作用。 然而，更大的問(wèn)題是，暗物質(zhì)是什么？同樣仍不知道的是，其他的載體，例如黑洞，到底在其中又起到了什么樣的作用。 我們能獲得答案嗎？ 很快，空間和地面上的高新望遠(yuǎn)鏡就會(huì)讓我們觀測(cè)到第一代星系的形成。和有關(guān)暗物質(zhì)的新認(rèn)識(shí)一起，也許會(huì)解決這個(gè)謎題。 4.宇宙由什么構(gòu)成 宇宙看上去充滿了恒星、行星和氣體星云。然而，許多計(jì)算顯示還存在其他我們看不見(jiàn)的東西。這些未知的成分到底是什么？ 我們知道什么？ 有著特定大小的星系必須以一個(gè)特定的速率轉(zhuǎn)動(dòng)以此來(lái)免于解體，但根據(jù)它們所發(fā)出的光，這些星系所擁有的恒星太少了。大質(zhì)量的天體會(huì)彎曲由遙遠(yuǎn)星系發(fā)出且途經(jīng)它們的光線，但觀測(cè)到的彎曲程度卻超出了預(yù)期，預(yù)示有不可見(jiàn)的物質(zhì)在影響它。天文學(xué)家們認(rèn)為不可見(jiàn)的暗物質(zhì)可以解釋這些失蹤的引力。此外，宇宙正在加速膨脹，這可能是由被稱為暗能量的斥力所驅(qū)使的。 根據(jù)愛(ài)因斯坦提出的能量和質(zhì)量之間的關(guān)系，我們可以把宇宙中的能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量，這樣就能告訴我們宇宙中有多少是由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成的。但是我們對(duì)這些成分仍知之甚少。中微子和弱相互作用大質(zhì)量粒子位列暗物質(zhì)的候選體，而暗能量則遠(yuǎn)更神秘得多。 我們能獲得答案嗎？ 科學(xué)家們正在地下建造探測(cè)器來(lái)探測(cè)弱相互作用大質(zhì)量粒子和其他可能的暗物質(zhì)粒子。暗能量則更為復(fù)雜，有關(guān)它的組成還沒(méi)有可靠的理論。目前研究它仍很困難，因?yàn)槟壳斑€難以精確測(cè)量宇宙膨脹的加速度。 5.宇宙有多少維度？ 自愛(ài)因斯坦引入了時(shí)空的概念起，我們把宇宙描述成擁有4個(gè)維度：3維空間和1維時(shí)間。但是新的弦理論研究顯示宇宙有11個(gè)維度。 我們知道什么？ 雖然沒(méi)有確鑿的證據(jù)表明有4維以上的維度存在，但許多物理學(xué)家認(rèn)為這些額外維確實(shí)存在，因?yàn)樘囟ǖ睦碚撔枰绱恕绕涫窍依碚摚踔列枰?個(gè)額外的空間維度。 目前，弦理論還是純理論的范疇：僅有數(shù)學(xué)描述，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證據(jù)。然而，許多物理學(xué)家認(rèn)為，它是統(tǒng)一自然界所有已知相互作用的最佳模型。它并不把粒子描述成沒(méi)有大小的幾何點(diǎn)，而是會(huì)振動(dòng)的弦。然而，為了讓弦理論奏效，這些弦必須要能在高維空間里振動(dòng)。11維空間是高度抽象的數(shù)學(xué)計(jì)算的結(jié)果。 6或者7個(gè)額外的空間維度蜷縮進(jìn)了非常小的物理空間里。這個(gè)空間小到在我們的宇宙中難以通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)它們。 我們能獲得答案嗎？ 科學(xué)家們可以使用粒子加速器來(lái)探測(cè)一個(gè)粒子的質(zhì)量或能量是否會(huì)滲透到其他的維度里，由此證明后者的存在。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€沒(méi)有獲得結(jié)果，因此不太可能在短時(shí)間內(nèi)找到答案。 6.有東西能逃逸出黑洞嗎？ 天文學(xué)家們認(rèn)為宇宙中充滿了黑洞。最大的黑洞有幾十億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，位于星系的中心。但是在黑洞形成的時(shí)候發(fā)生了什么？它是物質(zhì)和信息就此永遠(yuǎn)消失的地方嗎？ 我們知道什么？ 黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的直接產(chǎn)物，視界將黑洞的內(nèi)部和外部的宇宙隔絕開(kāi)。在黑洞的中心有一個(gè)奇點(diǎn)，它所有的物質(zhì)就集中在那里。進(jìn)入視界的任何東西都會(huì)就此從這個(gè)宇宙消失。 但在1974年，英國(guó)物理學(xué)家霍金提出，量子力學(xué)能讓輻射逃離視界——即霍金輻射，導(dǎo)致黑洞緩慢地蒸發(fā)。但是我們并不知道是否能從黑洞復(fù)原出（雖然可能會(huì)面目全非的）信息。 量子力學(xué)認(rèn)為信息不可能憑空消失。而且，黑洞的奇點(diǎn)也與量子力學(xué)不相容，因此黑洞可能要比廣義相對(duì)論所描述的更復(fù)雜得多。 我們能獲得答案嗎？ 距離我們最近的黑洞也遠(yuǎn)在數(shù)千光年之外，在這個(gè)距離上無(wú)法觀測(cè)到極其微弱的霍金輻射。所以，研究黑洞將會(huì)是非常的困難。 7.自然法則純屬巧合？ 許多物理學(xué)家計(jì)算發(fā)現(xiàn)，即便是對(duì)自然法則的微小改變也會(huì)使得生命變得不可能。換句話說(shuō)，對(duì)于生命而言這個(gè)宇宙是獨(dú)一無(wú)二的，或者至少對(duì)于我們所知的生命是如此。 我們知道什么？ 我們還無(wú)法確定為什么自然法則會(huì)以這種形式存在，不過(guò)有三種可能的解釋。 第一，宇宙是有意被創(chuàng)造出來(lái)的且被精調(diào)到了可以承載生命。不過(guò)，這是一個(gè)宗教而非科學(xué)的觀點(diǎn)。 第二，改變自然法則本身也許就是不可能的，因?yàn)樗鼈儠?huì)在其他地方產(chǎn)生影響。如果自然法則之間彼此相關(guān)，一個(gè)有著其他物理法則和常數(shù)的宇宙也能適合于生命，只要宇宙能存在足夠長(zhǎng)的時(shí)間讓生命得以演化。 第三，有海量的宇宙存在，每一個(gè)都有著各自的自然法則。如果它們能存在足夠長(zhǎng)時(shí)間，生命就有可能在其中一些里起源。 我們能獲得答案嗎？ 就算終極理論最終成功實(shí)現(xiàn)，也不太可能解決這個(gè)問(wèn)題。我們所知的科學(xué)是否能為此預(yù)言或者提供一個(gè)答案都尚存疑問(wèn)。 8.可觀測(cè)宇宙之外是什么？ 我們能觀測(cè)的宇宙是有限的。那在可觀測(cè)宇宙之外還存在什么？它對(duì)于地球上的我們又有什么影響？ 我們知道什么？ 宇宙的年齡大約為137億年，但由于它在膨脹，因此可以看到的宇宙要比我們所想象的更大。例如，一個(gè)星系所發(fā)出的光花了100億年的時(shí)間抵達(dá)我們，但當(dāng)我們看到它時(shí)，它到我們的距離已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止100億光年，因?yàn)楫?dāng)它所發(fā)出的光在傳播的過(guò)程中宇宙一直在膨脹。將其計(jì)算在內(nèi)， 可觀測(cè)宇宙的半徑差不多是420億光年，這是地球上的天文學(xué)家理論上所能看到的最遠(yuǎn)距離。 在它之外很可能還存在這其他東西。大爆炸理論允許在可觀測(cè)宇宙之外還存在無(wú)限的空間。被稱為第一類多重宇宙，它很可能由和我們宇宙相同的成分所組成。 理論提出還存在第二、三和四類多重宇宙，以及多重宇宙中無(wú)數(shù)個(gè)的宇宙，不過(guò)它們和我們?cè)诳臻g上并無(wú)交集。這些宇宙中的每一個(gè)都可以是真空中的一個(gè)泡，有著我們僅能用數(shù)學(xué)來(lái)描述的性質(zhì)。在每個(gè)泡中的自然法則可能不盡相同。如果真是如此，那我們的宇宙之外會(huì)是一個(gè)真空，而且在很遠(yuǎn)的地方還有其他的宇宙泡。 有關(guān)第一類無(wú)窮宇宙的理論會(huì)得出一個(gè)有趣的哲學(xué)結(jié)論：如果自然法則處處相同，那么任何東西都會(huì)重復(fù)自身無(wú)窮多遍，包括地球、銀河系和宇宙中的其他每一樣?xùn)|西。甚至還有你。也許另一個(gè)你此時(shí)也正在閱讀一篇有關(guān)宇宙秘密的文章。 我們能獲得答案嗎？ 雖然很難觀測(cè)可觀測(cè)宇宙之外的東西，但這也許是可能的。2008年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系的運(yùn)動(dòng)受到了極為遙遠(yuǎn)物體的引力影響，這個(gè)物體可能位于可觀測(cè)宇宙之外。對(duì)這一暗流現(xiàn)象的觀測(cè)也許能給出新的發(fā)現(xiàn)。 9.生命會(huì)在不同的地方起源嗎？ 如果生命是自然法則的必然結(jié)果，那我們沒(méi)有在其他地方發(fā)現(xiàn)生命的跡象就顯得很奇怪。如果宇宙中存在其他的智慧生命，為什么我們還有收到他們的信息？ 我們知道什么？ 眼下科學(xué)家們還只能根據(jù)地球上存在的生命對(duì)宇宙中其他地方生命存在的可能性進(jìn)行評(píng)估。地球的漫長(zhǎng)歷史為我們提供了兩條重要的線索。第一，在地球變得宜居之后不久生命便出現(xiàn)了。第二，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里只存在單細(xì)胞生物。這也許說(shuō)明，雖然生命起源相對(duì)容易，但朝向多細(xì)胞生物的跨越卻并不簡(jiǎn)單。 單細(xì)胞和多細(xì)胞生物之間存在著巨大的差異。除了一比數(shù)萬(wàn)億的細(xì)胞數(shù)目的顯著差異之外，一些被稱為嗜極生物的微生物還可以在極端惡劣的環(huán)境下生存，例如類似火星表面上、金星大氣中或者是木星衛(wèi)星上的條件。 更高級(jí)的生物通常經(jīng)不起這些險(xiǎn)惡的環(huán)境。根據(jù)在地球上的經(jīng)驗(yàn)，我們知道最復(fù)雜的動(dòng)物和植物無(wú)法忍受微生物卻可以生存的極端條件。如果我們希望找到更高級(jí)的生命形式，我們應(yīng)該搜尋銀河系中那些有著和地球相似氣候的行星。 幾十年來(lái)我們還試圖收聽(tīng)外星人發(fā)來(lái)的信息，但也沒(méi)有成功。從宇宙的角度來(lái)說(shuō)，這只是短暫的一瞬間，但它也體現(xiàn)出了一個(gè)矛盾：如果還存在其他的智慧生物，那其中一些可能會(huì)領(lǐng)先我們幾百萬(wàn)年。他們會(huì)有足夠的時(shí)間來(lái)探索整個(gè)銀河系，甚至殖民每一顆宜居的行星，于是找到他們的蹤跡不應(yīng)該這么困難。由于我們還沒(méi)有找到他們，一些科學(xué)家認(rèn)為其實(shí)我們是銀河系中的唯一。 我們能獲得答案嗎？ 對(duì)于太陽(yáng)系中的其他生命，我們應(yīng)該很快就會(huì)有答案了。至于太陽(yáng)系之外的，則會(huì)難得多。也許未來(lái)的技術(shù)能讓我們來(lái)分析太陽(yáng)系外行星大氣中的生命跡象。另外，外星人總有自己突然冒出來(lái)的可能性。 10.宇宙將會(huì)如何終結(jié)？ 正如每樣活著的東西都必將死去，宇宙也會(huì)終結(jié)。但目前的理論能幫助我們預(yù)言它的死亡嗎？ 我們知道什么？ 宇宙學(xué)家已經(jīng)知道了兩個(gè)重要事實(shí)：宇宙正在加速膨脹，但其能源有限。這意味著在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，恒星會(huì)一個(gè)接一個(gè)的死去，直到僅剩下小的紅矮星。這些恒星燃燒氫的速度非常慢，可以存活1百萬(wàn)億年。 即便是在未來(lái)的未來(lái)，星系間的距離會(huì)繼續(xù)增大，最終在可觀測(cè)宇宙中幾乎再也看不到其他的星系。而星系也會(huì)逐漸解體。其中的一些恒星會(huì)被中央的超大質(zhì)量黑洞吞食，而其他的則會(huì)甩入無(wú)垠的真空中。最終，在一個(gè)完全漆黑的宇宙中只剩下了流浪的黑洞和死去的恒星。 根據(jù)不同的宇宙學(xué)模型，還能想象出其他的結(jié)局。也許暗能量能驅(qū)使宇宙不斷地膨脹下去，最終將其撕裂。又或者我們會(huì)在和另一個(gè)宇宙的碰撞中獲得重生。 之前，科學(xué)家們都認(rèn)為宇宙的膨脹最終會(huì)停止轉(zhuǎn)而開(kāi)始收縮，物質(zhì)會(huì)再一次被擠壓入一個(gè)點(diǎn)。但自從暗能量被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，這個(gè)想法基本上已經(jīng)被拋棄。 我們能獲得答案嗎？ 我們也許能成功地預(yù)言宇宙在未來(lái)幾十億年里的演化，但鑒于不可能確鑿地證實(shí)這么多的宇宙學(xué)理論，宇宙的最終命運(yùn)仍會(huì)是一個(gè)謎。 |
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