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组图:科学难解五大宇宙之谜 真空宇宙并不空虚

2006-06-13 00:52 桌面版 正體 0
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第一张关于暗物质的图象上是地球附近一颗红矮星


计算机模拟的宇宙中暗物质可能的分布方式.其中的色点代表星云

近日,《生命科学》杂志列出五大宇宙之谜,这些问题至今还困饶着人类,科学家们始终未能解开,神奇的宇宙之谜底是什么?也许你就是将来解开这写谜底的人。

什么是暗物质?

“我们知道它的存在已经28年了,但却不知道它到底是什么。”——加里福尼亚大学欧文分校的天文学家维吉尼亚·崔伯这样说道。

100多年前,曾经有科学家认为看似真空的宇宙空间并不空虚,而是有一种被称为“发光以太”的物质充斥着。这种神秘的东西从未在地球上任何一个实验室里看到过,它被认为能够用来解释一个天体的引力是如何对另一个产生作用的。

虽然到19世纪末,“发光以太”也像无数其它的科学误解一样退出了历史舞台。但今天,另一种神秘的物质却令天文学家们着迷,而它并没有随时间的推移而消失。事实上,它在宇宙哲学理论前沿的地位已经保持了数十年。这就是暗物质。现在,它已经在天文学家们中作为组成宇宙的主要物质被广为接受。

“我们知道它的存在已经28年了,但却不知道它到底是什么。”加里福尼亚大学欧文分校的天文学家维吉尼亚·崔伯这样说道。

科学家们为何如此肯定存在某种他们从未见过的东西呢?答案来自对星球及星云运动方式的观察以及他们在这方面长达50多年的不断研究。如果星球和气体云只是受到目前星云中所能看见物质的引力作用的话,那么它们旋转的速度就显得过快了。而星系群也有同样的情况:单个星系的运动无法通过目前天文学所能看到的物质的引力来解释。

为了对这些观察结果做出解释,天文学家推论认为星云被一个由不同于以往的不可见物质组成的巨大的晕圈所包裹着。

我们无法看到这种所谓的暗物质,因为它不是放射性能量。但它却有质量,这使得它能够提供支撑星云及星云群所需的所有额外引力。现在,即便是在宇宙哲学这个古怪的世界中它也是一个非常奇怪的命题。

天文学家并不能直接看到暗物质,但他们能通过观察星云群的引力透镜效果发现暗物质的作用。事实上,天文学家认为宇宙中存在着大量的暗物质,其数量与普通物质的比率可能为10比1,远远超过普通物质数量。

如果暗物质能够被看到的话,那么大多数星云,包括我们所在的银河系要比现在在望远镜中所看到的大10倍。所有大家熟悉的这片宇宙中的“居民”——恒星、星云、行星以及尘埃气体云只不过是组成这里的很小一部分。

暗物质的存在是如此普遍又被证实是非常难以琢磨的。一部分原因是因为暗物质极少与普通的物质发生作用。

到目前为止,科学家对暗物质的探求努力仍无法进行。现在,只能在理论中推测它们可能的样子,而它们很可能与某种(或者几种)亚原子微粒非常相似。

其中最有可能是就是弱相互作用大质量粒子,或叫做微姆斯(WIMPs),以及在宇宙形成最初期的超高温度中形成的成百上千的亚原子微粒中的任何几种。其他可能的粒子还包括光微子、引力微子、轴子以及磁单极子。还有物理学家寻找了很久的著名的微中子,它也是目前唯一已经探测到的有可能是组成暗物质很少一部分的微粒。

不过,一些暗物质也有可能是由几种我们更为熟悉的天体构成的,如褐矮星、流浪行星以及其他“普通”的东西。但是科学家认为这些也只是其中的一小部分。

天文学家还需要对宇宙进行更深入的观察和研究来对这些可能的暗物质组成部分进行筛选。也许再过2到4年,研究人员就能发现这些微粒,或者也许研究人员会发现这些微粒不足以代表大部分暗物质,而将这些微粒排除开去,重新寻找其他可能性。对于所有种种的不确定性,天文学家并不介怀。尹培说:“在宇宙面前,我显得非常卑微。当我开始观察它时,我以近准备好接受惊讶了。”


图表中显示的是宇宙诞生150亿年间的膨胀比率

什么是暗能量?

“坦率地说,我们并不了解它。但我们知道它所起的作用。至于暗物质的细节问题我们一无所知。所有人都不知道。”——华盛顿大学西雅图分校的天文学家克雷格·霍根说道。

这听起来就像是《星际旅行》中的一个情节:暗能量,一个无人知晓的神秘力量,正是它使得宇宙以越来越快的速度向各方飞散。在几年前,如果你和天文学家谈起这样的东西,他们一定会告戒你在电视前少花些时间,用更多的时间生活在“真实”世界里。

但是,暗能量是真实存在的,或者至少已经有越来越多的天文学家开始这样认为。然而,没有能够解释它。

“坦率地说,我们并不了解它。但我们知道它所起的作用。至于暗物质的细节问题我们一无所知。所有人都不知道。”华盛顿大学西雅图分校的天文学家克雷格·霍根说道。

暗能量进入天文学范畴是在1998年。当时两个天文学家小组对大量远距离星云中的爆炸恒星,或称超新星进行了调查。这些研究者发现这些超新星比此前所认为的要暗,这也就意味着它们的距离比此前所认为的要远。天文学家意识到,唯一能够解释这种现象的原因就是宇宙膨胀的速度在过去的某个时间加快了。

在此之前,天文学家普遍认为由于各个星云之间的相互引力作用,宇宙膨胀会逐渐减缓,但是,这次超新星的观察结果却显示有某种神秘的力量在与引力抗衡,使星云以更快的速度分散开去。

这是个令人吃惊的发现。当研究人员将各种其他可能性排除之后,暗能量的假设也由此建立起来。

从某种程度上说,这一观念并非全新的。爱因斯坦曾在宇宙学常数中的广义相对论中得出过这样一种“反引力”效果。但是,爱因斯坦本人,以及后来的许多其他天文学家都认为这是一种数学构思,与真实的宇宙关系甚微。20世纪90年代之前,没有人想到这个效果会变成真实的。

加里福尼亚大学欧文分校的天文学家维吉尼亚·崔伯说,不过反引力并不是描述暗能量的正确方式。崔伯说:“它并非反作用于引力。如果它有负压,那么它和广义相对论所说的是一样的。”

崔伯有一个相当简单的方法来想象这一现象。

她说:“如果你把宇宙想象成一个非常大的气球。当气球膨胀时,会使里面的(暗能量)密度变小,因此产生负压,气球会膨胀得更大些。但它存在于气球内部时,它会试图将气球拉会到瘪着的状态,然而里面暗能量的密度越小,它就越难将气球瘪下去,气球也会膨胀得更大。这也就是在膨胀的宇宙中所发生的事情。”

从超新星的观察中可知,加速度是大约50亿年前产生的。那时,星云之间相互作用的引力由于足够大的距离而被相对温和但保持排斥作用的暗能量所取代。从那时开始,在暗能量不断的推动下,使得宇宙的膨胀加速。而现在,这种膨胀似乎将要继续下去。

毫无异议,暗能量是难以理解的。正如崔伯指出的那样,暗能量几乎是科学家必须的接受的最古怪的观念。但用它却可以解释目前所观察到的宇宙仍在不断膨胀的原因。

然而,宇宙哲学家们并没有因为这样而感到轻松。他们首先要做的一件事情就是要弄清楚暗能量到底是什么。这对将暗能量与其它我们已知的能量形式进行区别意义重大。而这必须要通过更精密的仪器和更多的研究对超新星观察结果进行进一步确认。


银河系是怎样形成的?

数十年来,天文学家们像好奇的孩子一样不断的问着:“银河系是从哪里来的?”

数十年来,天文学家们像好奇的孩子一样不断的问着:“银河系是从哪里来的?”然而,关于银河系的真实起源的确是一个相当复杂的问题。

从普遍理解上说,人们已经了解了银河系的起源。但是,就像许多科学领域的问题一样,它实用于这句谚语:“上帝存在于细节之中。”对于天文学家而言,发现那些细节是极其困难但是也是极其重要的。

加里福尼亚里科天文台的天文学家桑迪·法伯说:“星云是宇宙的构成单元,因此现代天文学中最重大的问题之一就是了解它们是如何形成的。”

借助于过去20年中一些主要理论的提升,法伯和她的同事目前已经能够从大体上对这一问题做出解答了。

其中最大的突破之一是在20世纪80年代初期,当时宇宙哲学家提出了理论上的膨胀宇宙观点。该理论认为,在大爆炸之后的一瞬间,新生的宇宙就开始以极大的速度扩张,就是所谓的膨胀。天文学家认为膨胀从根本上改变了婴儿时期宇宙的面貌。膨胀之前,宇宙的密度是一致的,就像无风时的湖面。膨胀之后,宇宙的密度不再平均,就像风暴出现时的海面一样也有涟漪和波浪。

而早期宇宙中的另一因素,暗物质则对这些波纹演变成更加明显的堆块起到了推波助澜的作用。这些密度的差异至今仍在宇宙微波背景(CMB)中以波动的形式出现,而CMB正是大爆炸的“回音”,是现在天文学家仍能看到的最早的放射线。

那些密度较高的区域由于有着比周围更强的引力,从而能够吸引更多的物质,并最终成为各个星云的种子。

尽管这一基础理论目前尚未得到证实,但从近几年天文学家对大量距离更远的星云调查正得到更深入的检测。

然而,与此同时还有许多基础性的问题尚未得到解决。这里不只是为什么了那么多不同种类的星云的问题;还有为什么有的星云有旋臂而有的没有?为什么它们有不同的颜色?为什么它们有不同的大小?……

答案就在宇宙中,但要找到答案就意味着向宇宙更深处探望,并对整个宇宙历史中星云进行更多的细节观察。正如加里福尼亚理工学院天文学家里查德·埃利斯所说:“如果你要问,银河系是在何时形成的?我只能告诉你这是一个持续的过程,基本上是贯穿了整个宇宙的历史。”

大爆炸之后的40亿年到50亿年之间,也即是距今80亿年到90亿年之前出现了第一批成熟的星云。当时的星云形状种类与现在天文学家所看到的星云形状是相同的:有带着经典的风车形状的螺旋形星云、有由一大群恒星构成的足球或篮球状的椭圆星云、也有杂乱无章的不规则星云。当时的星云总数显然要比目前的多出3到 4倍。

而随之尔来的也就是目前最迫切需要解决的问题:如此丰富的星云种类是如何淘汰并最终留下现在天文学家在近空所看到的这些星云的?是否有星云相互撞击形成更大的星云,或着有些则消失了?

除此之外,黑洞也是星云形成中的一个最为神秘的因素。许多天文学家认为黑洞在星云开始形成中起着至关重要的作用,是它通过自己强大的引力场将物质吸引到一起的。

而随着新一带巨型天文望远镜的诞生,天文学家将能够获取更多关于这些问题的数据,这也意味着人们再向了解这些问题的边缘迈进。


经过色彩加强的木卫二照片

地球之外是否存在生命?

“对我而言,寻找生命的最差人选就是生物学家。因为他们会十分可恨地自认为生命应该是什么样子的,不同形式的生命出现时,他们就会让它溜掉。”——美国国家宇航局/加里福尼亚理工大学的资深科学家尼尔森说道。

这是一个奇妙的、令人兴奋甚至害怕的感觉:当你凝视星空时,你问自己是否也有某个人或者某种东西正望着你。光是这种想法就足以使你汗毛倒竖。但是直到现在,尽管对这个问题人类已经思考了几个世纪并主动寻找了数十年,但仍无法知道答案。

不过这或许也是因为他们没有问对问题。

居住在地球上的人只知道在一个地方有着一种形式的生命。寻找其它地方生命的念头遇到了一系列根本不确定的问题的阻扰。我们该到哪里去寻找?我们是否能够确定自己到底在寻找什么?或者如何寻找?

这一系列问题正式肯·尼尔森试图解决的。尼尔森是南加州大学的地理生物学家,他将大部分精力都花在了制定寻找地外生命的策略上。而他的首要目标是将自己和自己的同事从对生命形式先入为主的观念中解放出来。

“对我而言,寻找生命的最差人选就是生物学家。因为他们会十分可恨地自认为生命应该是什么样子的,不同形式的生命出现时,他们就会让它溜掉。”美国国家宇航局/加里福尼亚理工大学的资深科学家尼尔森说道。

而现在,我们对地外生命的理解也正在改变。最近,科学家在爱达何州的热泉深处发现了一个繁荣的微生物群落。这些微生物是名为古细菌的古代近亲。它们从岩石中提取氢元素与二氧化碳结合制造能量,这是一种完全脱离太阳的存在形式,是一个在地壳中完全独立的生物圈。

于是有部分研究者开始猜想在其他行星地壳上由于地址活动提供了足够的氢元素,因而也可能存在着同样的生命形式。但是要真正通过太空探测和开发去寻找这样的生命在近期的可能性却比较渺茫。虽然如此,这一发现再次重申了生命探询者的口号:期待不可期待之物。

不过这对生物学家来说并不是一个容易接受的观点。因为最困难之处就在于不要用你在过去所学到的任何东西去寻找生命。

而由于人的先入为主观点,尼尔森认为机器人或许是比人类更好的生命探询者。他说:“机器人是一个非常好的信息收集器,由具有智能但不持自见的机器人系统运转很可能要比人类的系统做得更好。”

对于尼尔森的火星探测计划,外星智能探索学院的行星科学家克里斯·契巴表示出相当的好奇心。但他将自己的重点瞄准了另一个十分吸引人的目标——木星的卫星、木卫二。从加利略飞船上传回的照片显示该卫星表面的冰壳下可能存在液态水海洋。木卫二距离地球4亿英里,并为于木星强大的射线带中,对任何飞船都是有危险的。因此,目前科学家只能寻求其他替代方法对其进行探测。不过,真正令科学家感到兴奋的事——太阳系中有可能存在着第二个海洋。

无论是在火星、木卫二还是太阳系的其他地方,发现哪怕是最简单的生命形式其意义也是非常中大的。因为这能够给科学家关于外星生命自然性的一个参考。

除太阳系外,科学家也试图将眼光转向更广阔的宇宙空间,寻找如太阳系情况相似的类太阳系,或许那里也有一个跟地球相似的行星存在。

然而,在一切都没有出现明晰的线索之前,人类不知道自己在宇宙到底只是众多相似性中的一个,还是真的在孤独漂泊。


天文学家眼中的宇宙发展进程图

是否还有其他宇宙存在?

这个无法抗拒的而又无从得知的奇妙想法迟早会出现在每个人的脑海里:我们所知道的所有东西,乃至整个宇宙是否只是某人肩膀上的一小块尘埃?

当然,这并不是天文学家们要认真对待的问题。不过许多宇宙哲学家正在认真思考一个更具有科学性的问题:是否存在其他宇宙?

刚听到这个疑问时,你恐怕禁不住会想到底谁会提出这样放肆的问题。我们连这个宇宙都还没弄清楚,就试图探寻其他的了?

不论你相信与否,理论学家都已经有了一个答案,而且这个答案很显然是肯定的。

要理解这个问题,你就必须回到神秘的被大多数科学家认为是产生我们的宇宙的一切之母的大爆炸。该理论认为,大爆炸前一秒,一切都是虚无。而后,我们的宇宙就出现了。

尽管这听起来不可思议,但这却是从量子力学中得出的。量子力学认为物质和能量能够借助量子扰动同时在真空的宇宙中出现。宇宙哲学家认为量子扰动引起了大爆炸。而关于量子扰动的情况能够在任何地方、任何时候发生。因此,理论家认为如果我们的宇宙是由量子扰动所产生的,那么其他的量子扰动就很可能能够产生出其他宇宙。

一些科学家希望有其他宇宙存在还有一个理由:他们认为这是唯一能够解释为什么我们的宇宙会存在,而其的物理定律也正好允许生命存在。根据人择原理,有无限数量的宇宙存在,而且每个宇宙都有自己的一套物理定律。而其中之一就正好是我们所在的。

然而还有一个问题:如果真的有其他宇宙存在,我们也没有办法能够探测得到。

正如亚利桑那大学天文学家尹培所指的,由于来自极度遥远的区域光线无法到达我们这里,因此我们自己的宇宙有些部分是无法观察得到的。而且,我们知道我们自己的宇宙要比目前所能看到的大得多。但由于宇宙哲学家并没有真正理解量子扰动的特性,因此我们目前没有任何量子引力理论。这也就意味着多个扰动乃至多宇宙观点是相当具有随机性的。

不过,如果存在其他宇宙的话,我们是否真的永远无法探测到呢?一些理论家猜测其他宇宙的引力能量与可能渗透到我们的宇宙中,而这或许就是我们在未来某个时候所能够探测到的。对此,即便是思想最开放的宇宙哲学家也会说那需要很长很长的时间。

尹培说:“这是纯粹的猜测。这或许也是一种合理的猜测,但它的猜测与吉普2索恩所提出的关于虫洞、时间旅行以及白洞、黑洞的猜测一样,是由具有相当高水平的物理学家所做出的理论猜测,而他们清楚目前的理论边界所在。”

而到目前为止,人类尝试着去了解宇宙,使得人类被推出了自己所能预想的范畴,也就是说,人类要去思考那些超越了我们视线的,甚至超越了未来我们所能见到的东西。然而,这正是我们思想所及的前沿所看到的自然的一贯属性。

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