組圖:科學難解五大宇宙之謎 真空宇宙並不空虛



第一張關於暗物質的圖像上是地球附近一顆紅矮星


計算機模擬的宇宙中暗物質可能的分布方式.其中的色點代表星雲

近日,《生命科學》雜誌列出五大宇宙之謎,這些問題至今還困饒著人類,科學家們始終未能解開,神奇的宇宙之謎底是什麼?也許你就是將來解開這寫謎底的人。

什麼是暗物質?

「我們知道它的存在已經28年了,但卻不知道它到底是什麼。」——加里福尼亞大學歐文分校的天文學家維吉尼亞.崔伯這樣說道。

100多年前,曾經有科學家認為看似真空的宇宙空間並不空虛,而是有一種被稱為「發光以太」的物質充斥著。這種神秘的東西從未在地球上任何一個實驗室裡看到過,它被認為能夠用來解釋一個天體的引力是如何對另一個產生作用的。

雖然到19世紀末,「發光以太」也像無數其它的科學誤解一樣退出了歷史舞臺。但今天,另一種神秘的物質卻令天文學家們著迷,而它並沒有隨時間的推移而消失。事實上,它在宇宙哲學理論前沿的地位已經保持了數十年。這就是暗物質。現在,它已經在天文學家們中作為組成宇宙的主要物質被廣為接受。

「我們知道它的存在已經28年了,但卻不知道它到底是什麼。」加里福尼亞大學歐文分校的天文學家維吉尼亞.崔伯這樣說道。

科學家們為何如此肯定存在某種他們從未見過的東西呢?答案來自對星球及星雲運動方式的觀察以及他們在這方面長達50多年的不斷研究。如果星球和氣體雲只是受到目前星雲中所能看見物質的引力作用的話,那麼它們旋轉的速度就顯得過快了。而星系群也有同樣的情況:單個星系的運動無法通過目前天文學所能看到的物質的引力來解釋。

為了對這些觀察結果做出解釋,天文學家推論認為星雲被一個由不同於以往的不可見物質組成的巨大的暈圈所包裹著。

我們無法看到這種所謂的暗物質,因為它不是放射性能量。但它卻有質量,這使得它能夠提供支撐星雲及星雲群所需的所有額外引力。現在,即便是在宇宙哲學這個古怪的世界中它也是一個非常奇怪的命題。

天文學家並不能直接看到暗物質,但他們能通過觀察星雲群的引力透鏡效果發現暗物質的作用。事實上,天文學家認為宇宙中存在著大量的暗物質,其數量與普通物質的比率可能為10比1,遠遠超過普通物質數量。

如果暗物質能夠被看到的話,那麼大多數星雲,包括我們所在的銀河系要比現在在望遠鏡中所看到的大10倍。所有大家熟悉的這片宇宙中的「居民」——恆星、星雲、行星以及塵埃氣體雲只不過是組成這裡的很小一部分。

暗物質的存在是如此普遍又被證實是非常難以琢磨的。一部分原因是因為暗物質極少與普通的物質發生作用。

到目前為止,科學家對暗物質的探求努力仍無法進行。現在,只能在理論中推測它們可能的樣子,而它們很可能與某種(或者幾種)亞原子微粒非常相似。

其中最有可能是就是弱相互作用大質量粒子,或叫做微姆斯(WIMPs),以及在宇宙形成最初期的超高溫度中形成的成百上千的亞原子微粒中的任何幾種。其他可能的粒子還包括光微子、引力微子、軸子以及磁單極子。還有物理學家尋找了很久的著名的微中子,它也是目前唯一已經探測到的有可能是組成暗物質很少一部分的微粒。

不過,一些暗物質也有可能是由幾種我們更為熟悉的天體構成的,如褐矮星、流浪行星以及其他「普通」的東西。但是科學家認為這些也只是其中的一小部分。

天文學家還需要對宇宙進行更深入的觀察和研究來對這些可能的暗物質組成部分進行篩選。也許再過2到4年,研究人員就能發現這些微粒,或者也許研究人員會發現這些微粒不足以代表大部分暗物質,而將這些微粒排除開去,重新尋找其他可能性。對於所有種種的不確定性,天文學家並不介懷。尹培說:「在宇宙面前,我顯得非常卑微。當我開始觀察它時,我以近準備好接受驚訝了。」


圖表中顯示的是宇宙誕生150億年間的膨脹比率

什麼是暗能量?

「坦率地說,我們並不瞭解它。但我們知道它所起的作用。至於暗物質的細節問題我們一無所知。所有人都不知道。」——華盛頓大學西雅圖分校的天文學家克雷格.霍根說道。

這聽起來就像是《星際旅行》中的一個情節:暗能量,一個無人知曉的神秘力量,正是它使得宇宙以越來越快的速度向各方飛散。在幾年前,如果你和天文學家談起這樣的東西,他們一定會告戒你在電視前少花些時間,用更多的時間生活在「真實」世界裡。

但是,暗能量是真實存在的,或者至少已經有越來越多的天文學家開始這樣認為。然而,沒有能夠解釋它。

「坦率地說,我們並不瞭解它。但我們知道它所起的作用。至於暗物質的細節問題我們一無所知。所有人都不知道。」華盛頓大學西雅圖分校的天文學家克雷格.霍根說道。

暗能量進入天文學範疇是在1998年。當時兩個天文學家小組對大量遠距離星雲中的爆炸恆星,或稱超新星進行了調查。這些研究者發現這些超新星比此前所認為的要暗,這也就意味著它們的距離比此前所認為的要遠。天文學家意識到,唯一能夠解釋這種現象的原因就是宇宙膨脹的速度在過去的某個時間加快了。

在此之前,天文學家普遍認為由於各個星雲之間的相互引力作用,宇宙膨脹會逐漸減緩,但是,這次超新星的觀察結果卻顯示有某種神秘的力量在與引力抗衡,使星雲以更快的速度分散開去。

這是個令人吃驚的發現。當研究人員將各種其他可能性排除之後,暗能量的假設也由此建立起來。

從某種程度上說,這一觀念並非全新的。愛因斯坦曾在宇宙學常數中的廣義相對論中得出過這樣一種「反引力」效果。但是,愛因斯坦本人,以及後來的許多其他天文學家都認為這是一種數學構思,與真實的宇宙關係甚微。20世紀90年代之前,沒有人想到這個效果會變成真實的。

加里福尼亞大學歐文分校的天文學家維吉尼亞.崔伯說,不過反引力並不是描述暗能量的正確方式。崔伯說:「它並非反作用於引力。如果它有負壓,那麼它和廣義相對論所說的是一樣的。」

崔伯有一個相當簡單的方法來想像這一現象。

她說:「如果你把宇宙想像成一個非常大的氣球。當氣球膨脹時,會使裡面的(暗能量)密度變小,因此產生負壓,氣球會膨脹得更大些。但它存在於氣球內部時,它會試圖將氣球拉會到癟著的狀態,然而裡面暗能量的密度越小,它就越難將氣球癟下去,氣球也會膨脹得更大。這也就是在膨脹的宇宙中所發生的事情。」

從超新星的觀察中可知,加速度是大約50億年前產生的。那時,星雲之間相互作用的引力由於足夠大的距離而被相對溫和但保持排斥作用的暗能量所取代。從那時開始,在暗能量不斷的推動下,使得宇宙的膨脹加速。而現在,這種膨脹似乎將要繼續下去。

毫無異議,暗能量是難以理解的。正如崔伯指出的那樣,暗能量幾乎是科學家必須的接受的最古怪的觀念。但用它卻可以解釋目前所觀察到的宇宙仍在不斷膨脹的原因。

然而,宇宙哲學家們並沒有因為這樣而感到輕鬆。他們首先要做的一件事情就是要弄清楚暗能量到底是什麼。這對將暗能量與其它我們已知的能量形式進行區別意義重大。而這必須要通過更精密的儀器和更多的研究對超新星觀察結果進行進一步確認。


銀河系是怎樣形成的?

數十年來,天文學家們像好奇的孩子一樣不斷的問著:「銀河系是從哪裡來的?」

數十年來,天文學家們像好奇的孩子一樣不斷的問著:「銀河系是從哪裡來的?」然而,關於銀河系的真實起源的確是一個相當複雜的問題。

從普遍理解上說,人們已經瞭解了銀河系的起源。但是,就像許多科學領域的問題一樣,它實用於這句諺語:「上帝存在於細節之中。」對於天文學家而言,發現那些細節是極其困難但是也是極其重要的。

加里福尼亞里科天文臺的天文學家桑迪.法伯說:「星雲是宇宙的構成單元,因此現代天文學中最重大的問題之一就是瞭解它們是如何形成的。」

藉助於過去20年中一些主要理論的提升,法伯和她的同事目前已經能夠從大體上對這一問題做出解答了。

其中最大的突破之一是在20世紀80年代初期,當時宇宙哲學家提出了理論上的膨脹宇宙觀點。該理論認為,在大爆炸之後的一瞬間,新生的宇宙就開始以極大的速度擴張,就是所謂的膨脹。天文學家認為膨脹從根本上改變了嬰兒時期宇宙的面貌。膨脹之前,宇宙的密度是一致的,就像無風時的湖面。膨脹之後,宇宙的密度不再平均,就像風暴出現時的海面一樣也有漣漪和波浪。

而早期宇宙中的另一因素,暗物質則對這些波紋演變成更加明顯的堆塊起到了推波助瀾的作用。這些密度的差異至今仍在宇宙微波背景(CMB)中以波動的形式出現,而CMB正是大爆炸的「回音」,是現在天文學家仍能看到的最早的放射線。

那些密度較高的區域由於有著比周圍更強的引力,從而能夠吸引更多的物質,並最終成為各個星雲的種子。

儘管這一基礎理論目前尚未得到證實,但從近幾年天文學家對大量距離更遠的星雲調查正得到更深入的檢測。

然而,與此同時還有許多基礎性的問題尚未得到解決。這裡不只是為什麼了那麼多不同種類的星雲的問題;還有為什麼有的星雲有旋臂而有的沒有?為什麼它們有不同的顏色?為什麼它們有不同的大小?……

答案就在宇宙中,但要找到答案就意味著向宇宙更深處探望,並對整個宇宙歷史中星雲進行更多的細節觀察。正如加里福尼亞理工學院天文學家裡查德.埃利斯所說:「如果你要問,銀河系是在何時形成的?我只能告訴你這是一個持續的過程,基本上是貫穿了整個宇宙的歷史。」

大爆炸之後的40億年到50億年之間,也即是距今80億年到90億年之前出現了第一批成熟的星雲。當時的星雲形狀種類與現在天文學家所看到的星雲形狀是相同的:有帶著經典的風車形狀的螺旋形星雲、有由一大群恆星構成的足球或籃球狀的橢圓星雲、也有雜亂無章的不規則星雲。當時的星雲總數顯然要比目前的多出3到 4倍。

而隨之爾來的也就是目前最迫切需要解決的問題:如此豐富的星雲種類是如何淘汰並最終留下現在天文學家在近空所看到的這些星雲的?是否有星雲相互撞擊形成更大的星雲,或著有些則消失了?

除此之外,黑洞也是星雲形成中的一個最為神秘的因素。許多天文學家認為黑洞在星雲開始形成中起著至關重要的作用,是它通過自己強大的引力場將物質吸引到一起的。

而隨著新一帶巨型天文望遠鏡的誕生,天文學家將能夠獲取更多關於這些問題的數據,這也意味著人們再向瞭解這些問題的邊緣邁進。


經過色彩加強的木衛二照片

地球之外是否存在生命?

「對我而言,尋找生命的最差人選就是生物學家。因為他們會十分可恨地自認為生命應該是什麼樣子的,不同形式的生命出現時,他們就會讓它溜掉。」——美國國家宇航局/加里福尼亞理工大學的資深科學家尼爾森說道。

這是一個奇妙的、令人興奮甚至害怕的感覺:當你凝視星空時,你問自己是否也有某個人或者某種東西正望著你。光是這種想法就足以使你汗毛倒豎。但是直到現在,儘管對這個問題人類已經思考了幾個世紀並主動尋找了數十年,但仍無法知道答案。

不過這或許也是因為他們沒有問對問題。

居住在地球上的人只知道在一個地方有著一種形式的生命。尋找其它地方生命的念頭遇到了一系列根本不確定的問題的阻擾。我們該到哪裡去尋找?我們是否能夠確定自己到底在尋找什麼?或者如何尋找?

這一系列問題正式肯.尼爾森試圖解決的。尼爾森是南加州大學的地理生物學家,他將大部分精力都花在了制定尋找地外生命的策略上。而他的首要目標是將自己和自己的同事從對生命形式先入為主的觀念中解放出來。

「對我而言,尋找生命的最差人選就是生物學家。因為他們會十分可恨地自認為生命應該是什麼樣子的,不同形式的生命出現時,他們就會讓它溜掉。」美國國家宇航局/加里福尼亞理工大學的資深科學家尼爾森說道。

而現在,我們對地外生命的理解也正在改變。最近,科學家在愛達何州的熱泉深處發現了一個繁榮的微生物群落。這些微生物是名為古細菌的古代近親。它們從岩石中提取氫元素與二氧化碳結合製造能量,這是一種完全脫離太陽的存在形式,是一個在地殼中完全獨立的生物圈。

於是有部分研究者開始猜想在其他行星地殼上由於地址活動提供了足夠的氫元素,因而也可能存在著同樣的生命形式。但是要真正通過太空探測和開發去尋找這樣的生命在近期的可能性卻比較渺茫。雖然如此,這一發現再次重申了生命探詢者的口號:期待不可期待之物。

不過這對生物學家來說並不是一個容易接受的觀點。因為最困難之處就在於不要用你在過去所學到的任何東西去尋找生命。

而由於人的先入為主觀點,尼爾森認為機器人或許是比人類更好的生命探詢者。他說:「機器人是一個非常好的信息收集器,由具有智能但不持自見的機器人系統運轉很可能要比人類的系統做得更好。」

對於尼爾森的火星探測計畫,外星智能探索學院的行星科學家克里斯.契巴表示出相當的好奇心。但他將自己的重點瞄準了另一個十分吸引人的目標——木星的衛星、木衛二。從加利略飛船上傳回的照片顯示該衛星表面的冰殼下可能存在液態水海洋。木衛二距離地球4億英里,並為於木星強大的射線帶中,對任何飛船都是有危險的。因此,目前科學家只能尋求其他替代方法對其進行探測。不過,真正令科學家感到興奮的事——太陽系中有可能存在著第二個海洋。

無論是在火星、木衛二還是太陽系的其他地方,發現哪怕是最簡單的生命形式其意義也是非常中大的。因為這能夠給科學家關於外星生命自然性的一個參考。

除太陽系外,科學家也試圖將眼光轉向更廣闊的宇宙空間,尋找如太陽系情況相似的類太陽系,或許那裡也有一個跟地球相似的行星存在。

然而,在一切都沒有出現明晰的線索之前,人類不知道自己在宇宙到底只是眾多相似性中的一個,還是真的在孤獨漂泊。


天文學家眼中的宇宙發展進程圖

是否還有其他宇宙存在?

這個無法抗拒的而又無從得知的奇妙想法遲早會出現在每個人的腦海裡:我們所知道的所有東西,乃至整個宇宙是否只是某人肩膀上的一小塊塵埃?

當然,這並不是天文學家們要認真對待的問題。不過許多宇宙哲學家正在認真思考一個更具有科學性的問題:是否存在其他宇宙?

剛聽到這個疑問時,你恐怕禁不住會想到底誰會提出這樣放肆的問題。我們連這個宇宙都還沒弄清楚,就試圖探尋其他的了?

不論你相信與否,理論學家都已經有了一個答案,而且這個答案很顯然是肯定的。

要理解這個問題,你就必須回到神秘的被大多數科學家認為是產生我們的宇宙的一切之母的大爆炸。該理論認為,大爆炸前一秒,一切都是虛無。而後,我們的宇宙就出現了。

儘管這聽起來不可思議,但這卻是從量子力學中得出的。量子力學認為物質和能量能夠藉助量子擾動同時在真空的宇宙中出現。宇宙哲學家認為量子擾動引起了大爆炸。而關於量子擾動的情況能夠在任何地方、任何時候發生。因此,理論家認為如果我們的宇宙是由量子擾動所產生的,那麼其他的量子擾動就很可能能夠產生出其他宇宙。

一些科學家希望有其他宇宙存在還有一個理由:他們認為這是唯一能夠解釋為什麼我們的宇宙會存在,而其的物理定律也正好允許生命存在。根據人擇原理,有無限數量的宇宙存在,而且每個宇宙都有自己的一套物理定律。而其中之一就正好是我們所在的。

然而還有一個問題:如果真的有其他宇宙存在,我們也沒有辦法能夠探測得到。

正如亞利桑那大學天文學家尹培所指的,由於來自極度遙遠的區域光線無法到達我們這裡,因此我們自己的宇宙有些部分是無法觀察得到的。而且,我們知道我們自己的宇宙要比目前所能看到的大得多。但由於宇宙哲學家並沒有真正理解量子擾動的特性,因此我們目前沒有任何量子引力理論。這也就意味著多個擾動乃至多宇宙觀點是相當具有隨機性的。

不過,如果存在其他宇宙的話,我們是否真的永遠無法探測到呢?一些理論家猜測其他宇宙的引力能量與可能滲透到我們的宇宙中,而這或許就是我們在未來某個時候所能夠探測到的。對此,即便是思想最開放的宇宙哲學家也會說那需要很長很長的時間。

尹培說:「這是純粹的猜測。這或許也是一種合理的猜測,但它的猜測與吉普2索恩所提出的關於蟲洞、時間旅行以及白洞、黑洞的猜測一樣,是由具有相當高水平的物理學家所做出的理論猜測,而他們清楚目前的理論邊界所在。」

而到目前為止,人類嘗試著去瞭解宇宙,使得人類被推出了自己所能預想的範疇,也就是說,人類要去思考那些超越了我們視線的,甚至超越了未來我們所能見到的東西。然而,這正是我們思想所及的前沿所看到的自然的一貫屬性。

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