宇宙的十大秘密

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天文学家已经对宇宙有了广泛的了解而且日新月异。然而,尽管通过强大的空间望远镜我们能够洞察宇宙深处,通过机器人我们能探访太阳系的边缘,但是有仍一些最基本的问题还没有答案。这里将列出其中最大的十个。
Helle & Henrik Stub 文 Shea 编译

天文学家已经对宇宙有了广泛的了解而且日新月异。然而,尽管通过强大的空间望远镜我们能够洞察宇宙深处,通过机器人我们能探访太阳系的边缘,但是有仍一些最基本的问题还没有答案。这里将列出其中最大的十个。

1.大爆炸之前存在什么?

天文学家过去的标准回答是:这个问题没有意义——因为你还可以问在北极以北存在什么。但是,这一态度正在转变。有越来越多的理论正在被提出来,它们不仅预想了大爆炸之前的时间,甚至还有其他的宇宙。

我们知道什么?

大爆炸是由确凿的证据建立起来的理论,描述了自宇宙比原子还小时起至今的演化历程。但这个理论并没有告诉我们任何有关宇宙是如何以及为什么起源——或者在此之前存在什么——的信息。一种可能性是在大爆炸中创造出了我们已知的时间和空间。然而,并不能由此得出在大爆炸发生前空无一物的结论。

古希腊哲学家巴门尼德说:“不可能无中生有。”此言同样也适用于大爆炸,科学还没有办法解释宇宙是如何从“无”创生的。结果是,有越来越多的宇宙学家正在思考是某种东西引发了大爆炸的可能性。有一些理论正试图为此提供答案。

其中之一便是永恒暴胀,它提出膨胀的宇宙会在真空中不断地被创造出来,它们每一个都会像泡泡一样的膨胀。该理论认为,我们的宇宙就是这些泡泡中的一个,而其他的宇宙则存在于不同的泡中。不过,这些其他宇宙中的每一个在时间和空间上都彼此远离,不可能进行相互间的通讯。这个真空会以极高的速度膨胀,使得不同宇宙间的距离不断拉大。

其他的理论则专注于循环宇宙的想法,即宇宙会经历创生、毁灭和重生的循环。尽管这些理论能为大爆炸之前提供一个可能的解释,但它们仍没有解决一个甚至更基本的问题:为什么在一开始就会有东西存在于那里,而不是“空无一物”?

我们能获得答案吗?

通过宇宙背景辐射,也许能寻找其他宇宙在我们宇宙中所留下的印迹。已有尝试,但没有成功——估计在相当长的时间里都难以取得进展。

宇宙的十大秘密
2.为什么宇宙没有在形成后就立刻湮灭?

大爆炸理论提出,当时间开始时,物质和反物质会等量地被创造出来。如果确实如此,那么当物质和反物质相接触时,宇宙就应该转化成纯粹的能量形式,即在超强的辐射中毁灭。但宇宙却存活了下来,而且几乎不含任何反物质。

我们知道什么?

我们对于这个世界的许多观念都基于大自然的对称法则。但是在宇宙诞生之初,每形成10亿个反物质粒子,就会形成10亿外加1个物质粒子。这正是为什么宇宙至今仍存在的原因。

这一不平衡打破了电荷宇称对称性,后者维持着每个粒子都有一个与之等效的、电荷相反的反粒子。科学家们需要在与目前的标准模型——它从数学上可以解释宇宙中所有已知的粒子——相容的框架下来解释电荷宇称对称性的破缺是如何发生的。当然,这些现象也需要在实验中得到验证,由此科学家们才会去寻找它背后的原因。

物理实验已经能制造出物质和反物质。但已经观测到的电荷宇称对称性破缺太微不足道,无法解释宇宙中差别。

然而,科学家们在2010年取得了进展,在一个实验中创造出的μ介子要比反μ介子多1%。这虽然体现出了差别,但我们仍不知道该如何解释。

我们能获得答案吗?

在发现了微小的电荷宇称对称性破缺多年之后,我们现在已经看到了标准模型的不足之处。更多的实验将会拉近我们和这个问题答案之间的距离。

3.物质是如何聚集成星系的?

紧接着在大爆炸之后,宇宙中便充满了高温且发光的气体。几亿年之后,这些气体中的一部分聚集形成了第一代星系。但这一星系形成过程究竟是如何开始的呢?

我们知道什么?

今天我们所能观测到的星系都形成于大爆炸之后不到5亿年的时间里。它们发出的光需要非常长的时间才能抵达地球,于是当我们朝宇宙深处望去的时候,其实就等价于在回溯时间,这让我们可以看到宇宙刚形成后不久时天体的样子。

得益于这些观测,天文学家们对于星系形成是如何开始的有了一些认识。他们可以大致看到小型星系之间的碰撞并逐渐融合成目前我们所看到的大型星系。但不清楚的一点是,是什么原因使得充满宇宙的气体开始聚集成星系的。

天文学家主要专注于两个主要因素。一个是由大爆炸所产生的密度涨落。这些涨落使得气体的分布并不均匀——在某些地方气体的密度会比其他地方稍高一点。天文学家们曾认为,在高密度区域中,气体会以更快的速度收缩,之后便形成了星系。但计算表明,这一密度不足以形成星系。于是另一个因素——暗物质——登上了舞台。

暗物质仍是理论上的物质,它们和普通物质之间仅通过引力发生相互作用且和普通物质有着不同的行为。计算机模拟显示,暗物质会迅速聚合成形似蛛网、充满宇宙的长细丝结构。这些细丝也许能为星系形成提供所需的额外引力,特别是当这些细丝彼此相交时。

哈勃空间望远镜新近的观测表明,星系的分布与暗物质细丝的分布大致相当,预示后者可能在星系形成中起到了作用。

然而,更大的问题是,暗物质是什么?同样仍不知道的是,其他的载体,例如黑洞,到底在其中又起到了什么样的作用。

我们能获得答案吗?

很快,空间和地面上的高新望远镜就会让我们观测到第一代星系的形成。和有关暗物质的新认识一起,也许会解决这个谜题。

4.宇宙由什么构成

宇宙看上去充满了恒星、行星和气体星云。然而,许多计算显示还存在其他我们看不见的东西。这些未知的成分到底是什么?

我们知道什么?

有着特定大小的星系必须以一个特定的速率转动以此来免于解体,但根据它们所发出的光,这些星系所拥有的恒星太少了。大质量的天体会弯曲由遥远星系发出且途经它们的光线,但观测到的弯曲程度却超出了预期,预示有不可见的物质在影响它。天文学家们认为不可见的暗物质可以解释这些失踪的引力。此外,宇宙正在加速膨胀,这可能是由被称为暗能量的斥力所驱使的。

根据爱因斯坦提出的能量和质量之间的关系,我们可以把宇宙中的能量转化成质量,这样就能告诉我们宇宙中有多少是由暗物质和暗能量构成的。但是我们对这些成分仍知之甚少。中微子和弱相互作用大质量粒子位列暗物质的候选体,而暗能量则远更神秘得多。

我们能获得答案吗?

科学家们正在地下建造探测器来探测弱相互作用大质量粒子和其他可能的暗物质粒子。暗能量则更为复杂,有关它的组成还没有可靠的理论。目前研究它仍很困难,因为目前还难以精确测量宇宙膨胀的加速度。

5.宇宙有多少维度?

自爱因斯坦引入了时空的概念起,我们把宇宙描述成拥有4个维度:3维空间和1维时间。但是新的弦理论研究显示宇宙有11个维度。

我们知道什么?

虽然没有确凿的证据表明有4维以上的维度存在,但许多物理学家认为这些额外维确实存在,因为特定的理论需要如此——尤其是弦理论,它甚至需要7个额外的空间维度。

目前,弦理论还是纯理论的范畴:仅有数学描述,没有实验证据。然而,许多物理学家认为,它是统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没有大小的几何点,而是会振动的弦。然而,为了让弦理论奏效,这些弦必须要能在高维空间里振动。11维空间是高度抽象的数学计算的结果。

6或者7个额外的空间维度蜷缩进了非常小的物理空间里。这个空间小到在我们的宇宙中难以通过物理实验来探测它们。

我们能获得答案吗?

科学家们可以使用粒子加速器来探测一个粒子的质量或能量是否会渗透到其他的维度里,由此证明后者的存在。大型强子对撞机实验目前还没有获得结果,因此不太可能在短时间内找到答案。

6.有东西能逃逸出黑洞吗?

天文学家们认为宇宙中充满了黑洞。最大的黑洞有几十亿个太阳质量,位于星系的中心。但是在黑洞形成的时候发生了什么?它是物质和信息就此永远消失的地方吗?

我们知道什么?

黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接产物,视界将黑洞的内部和外部的宇宙隔绝开。在黑洞的中心有一个奇点,它所有的物质就集中在那里。进入视界的任何东西都会就此从这个宇宙消失。

但在1974年,英国物理学家霍金提出,量子力学能让辐射逃离视界——即霍金辐射,导致黑洞缓慢地蒸发。但是我们并不知道是否能从黑洞复原出(虽然可能会面目全非的)信息。

量子力学认为信息不可能凭空消失。而且,黑洞的奇点也与量子力学不相容,因此黑洞可能要比广义相对论所描述的更复杂得多。

我们能获得答案吗?

距离我们最近的黑洞也远在数千光年之外,在这个距离上无法观测到极其微弱的霍金辐射。所以,研究黑洞将会是非常的困难。

7.自然法则纯属巧合?

许多物理学家计算发现,即便是对自然法则的微小改变也会使得生命变得不可能。换句话说,对于生命而言这个宇宙是独一无二的,或者至少对于我们所知的生命是如此。

我们知道什么?

我们还无法确定为什么自然法则会以这种形式存在,不过有三种可能的解释。

第一,宇宙是有意被创造出来的且被精调到了可以承载生命。不过,这是一个宗教而非科学的观点。

第二,改变自然法则本身也许就是不可能的,因为它们会在其他地方产生影响。如果自然法则之间彼此相关,一个有着其他物理法则和常数的宇宙也能适合于生命,只要宇宙能存在足够长的时间让生命得以演化。

第三,有海量的宇宙存在,每一个都有着各自的自然法则。如果它们能存在足够长时间,生命就有可能在其中一些里起源。

我们能获得答案吗?

就算终极理论最终成功实现,也不太可能解决这个问题。我们所知的科学是否能为此预言或者提供一个答案都尚存疑问。

8.可观测宇宙之外是什么?

我们能观测的宇宙是有限的。那在可观测宇宙之外还存在什么?它对于地球上的我们又有什么影响?

我们知道什么?

宇宙的年龄大约为137亿年,但由于它在膨胀,因此可以看到的宇宙要比我们所想象的更大。例如,一个星系所发出的光花了100亿年的时间抵达我们,但当我们看到它时,它到我们的距离已远远不止100亿光年,因为当它所发出的光在传播的过程中宇宙一直在膨胀。将其计算在内, 可观测宇宙的半径差不多是420亿光年,这是地球上的天文学家理论上所能看到的最远距离。

在它之外很可能还存在这其他东西。大爆炸理论允许在可观测宇宙之外还存在无限的空间。被称为第一类多重宇宙,它很可能由和我们宇宙相同的成分所组成。

理论提出还存在第二、三和四类多重宇宙,以及多重宇宙中无数个的宇宙,不过它们和我们在空间上并无交集。这些宇宙中的每一个都可以是真空中的一个泡,有着我们仅能用数学来描述的性质。在每个泡中的自然法则可能不尽相同。如果真是如此,那我们的宇宙之外会是一个真空,而且在很远的地方还有其他的宇宙泡。

有关第一类无穷宇宙的理论会得出一个有趣的哲学结论:如果自然法则处处相同,那么任何东西都会重复自身无穷多遍,包括地球、银河系和宇宙中的其他每一样东西。甚至还有你。也许另一个你此时也正在阅读一篇有关宇宙秘密的文章。

我们能获得答案吗?

虽然很难观测可观测宇宙之外的东西,但这也许是可能的。2008年天文学家发现星系的运动受到了极为遥远物体的引力影响,这个物体可能位于可观测宇宙之外。对这一暗流现象的观测也许能给出新的发现。

9.生命会在不同的地方起源吗?

如果生命是自然法则的必然结果,那我们没有在其他地方发现生命的迹象就显得很奇怪。如果宇宙中存在其他的智慧生命,为什么我们还有收到他们的信息?

我们知道什么?

眼下科学家们还只能根据地球上存在的生命对宇宙中其他地方生命存在的可能性进行评估。地球的漫长历史为我们提供了两条重要的线索。第一,在地球变得宜居之后不久生命便出现了。第二,在很长一段时间里只存在单细胞生物。这也许说明,虽然生命起源相对容易,但朝向多细胞生物的跨越却并不简单。

单细胞和多细胞生物之间存在着巨大的差异。除了一比数万亿的细胞数目的显著差异之外,一些被称为嗜极生物的微生物还可以在极端恶劣的环境下生存,例如类似火星表面上、金星大气中或者是木星卫星上的条件。

更高级的生物通常经不起这些险恶的环境。根据在地球上的经验,我们知道最复杂的动物和植物无法忍受微生物却可以生存的极端条件。如果我们希望找到更高级的生命形式,我们应该搜寻银河系中那些有着和地球相似气候的行星。

几十年来我们还试图收听外星人发来的信息,但也没有成功。从宇宙的角度来说,这只是短暂的一瞬间,但它也体现出了一个矛盾:如果还存在其他的智慧生物,那其中一些可能会领先我们几百万年。他们会有足够的时间来探索整个银河系,甚至殖民每一颗宜居的行星,于是找到他们的踪迹不应该这么困难。由于我们还没有找到他们,一些科学家认为其实我们是银河系中的唯一。

我们能获得答案吗?

对于太阳系中的其他生命,我们应该很快就会有答案了。至于太阳系之外的,则会难得多。也许未来的技术能让我们来分析太阳系外行星大气中的生命迹象。另外,外星人总有自己突然冒出来的可能性。

10.宇宙将会如何终结?

正如每样活着的东西都必将死去,宇宙也会终结。但目前的理论能帮助我们预言它的死亡吗?

我们知道什么?

宇宙学家已经知道了两个重要事实:宇宙正在加速膨胀,但其能源有限。这意味着在遥远的未来,恒星会一个接一个的死去,直到仅剩下小的红矮星。这些恒星燃烧氢的速度非常慢,可以存活1百万亿年。

即便是在未来的未来,星系间的距离会继续增大,最终在可观测宇宙中几乎再也看不到其他的星系。而星系也会逐渐解体。其中的一些恒星会被中央的超大质量黑洞吞食,而其他的则会甩入无垠的真空中。最终,在一个完全漆黑的宇宙中只剩下了流浪的黑洞和死去的恒星。

根据不同的宇宙学模型,还能想象出其他的结局。也许暗能量能驱使宇宙不断地膨胀下去,最终将其撕裂。又或者我们会在和另一个宇宙的碰撞中获得重生。

之前,科学家们都认为宇宙的膨胀最终会停止转而开始收缩,物质会再一次被挤压入一个点。但自从暗能量被发现以来,这个想法基本上已经被抛弃。

我们能获得答案吗?

我们也许能成功地预言宇宙在未来几十亿年里的演化,但鉴于不可能确凿地证实这么多的宇宙学理论,宇宙的最终命运仍会是一个谜。

[Science Illustrated 2012年7-8月]

 

内容来自 火流星

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