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在接下来50年间,宇宙还有哪些谜团尚未揭开?

2019/12/5 8:13:12来源:新浪科技作者:叶子责编:孤城评论:

北京时间12月5日消息,据国外媒体报道,1900年,著名物理学家开尔文勋爵在英国科学促进会上宣称:“物理学界已经不会再有什么新发现了。”但这么说简直大错特错。在接下来的一个世纪里,物理学发生了颠覆性的变化。大量理论和实验发现彻底转变了我们对宇宙的理解、以及对地球在宇宙中所处地位的认知。

而21世纪可能也会如此。宇宙仍有许多谜团尚未揭开。而在接下来的50年里,新技术将帮助我们不断破解这些谜题。

第一个谜题涉及到我们存在的基础。据物理学家估测,宇宙大爆炸在产生构成我们的这些物质的同时,也生成了相同数量的反物质。大多数物质粒子都有对应的反物质“孪生兄弟”,两者特性完全相同,唯有所带电荷相反。物质与反物质一旦相遇,就会在瞬间湮灭,双方的能量都会在这一过程中转化为光能。

与未来的新型对撞机相比,大型强子对撞机简直不值一提。

但如今的宇宙几乎完全是由普通物质构成的。那些反物质究竟去哪儿了呢?

大型强子对撞机(LHC)已经为我们提供了一些思路。这台机器会让质子以无法想象的高速相撞,产生较重的物质与反物质粒子,而这些粒子随后又会衰变成更轻的粒子,其中有些便可能是我们从未发现过的新粒子。

这些实验显示,物质与反物质衰变的速度略有不同,这或许能在一定程度上解释我们在自然界中观察到的不对称性。

问题在于,物理学家习惯与精确的数据打交道,但在大型强子对撞机中开展的实验却像用网球拍打乒乓球一样,很难精确控制实验走向。质子由各类较小粒子构成,当质子相互撞击时,内部粒子便会四处喷撒出去,大大增加在一大堆碎片中发现新粒子的难度。这样一来,科学家就很难精确测定这些粒子的特性、借此寻找揭开反物质失踪之谜的线索。

图为彩灯装饰的詹姆斯·韦伯望远镜一比一模型。

但在接下来几十年里,三台新的对撞机将帮助我们扭转局势。其中最重要的一台名叫未来环形对撞机(FCC)。该设备是一条位于日内瓦周边的环形隧道,长约100公里,而大型强子对撞机的27公里隧道将成为这台新对撞机的一条滑道。不过,在未来环形对撞机中相互碰撞的将不是质子,而是电子和它的反粒子——“正电子”,并且碰撞速度远比大型强子对撞机快得多。

不同于质子,电子与正电子是不可分割的,因此我们很清楚究竟有哪些粒子参与了碰撞。我们还可以调整两者相撞的能量级,借此创造出特定的反物质粒子,并对它们的性质进行精确测定,特别是它们衰变的方式。

这些研究将揭开全新的物理学真相。也许反物质的失踪与暗物质有关(暗物质占到了全宇宙物质的85%,但科学家目前还从未探测到过这类粒子)。而无从寻觅的反物质与无处不在的暗物质也许又与宇宙发生大爆炸时的状态有关,因此这些实验将带我们溯源追根、深入探索我们的起源。

我们不可能预测到这些对撞机实验揭露的真相会如何改变我们的生活。但我们上一次用“超强放大镜”观察这个世界时,我们发现了亚原子粒子和量子力学。利用这些知识,我们的计算机、医学和能源生产都发生了革命性的转变。

我们会是宇宙中唯一的智慧文明吗?

而在宇宙层面上,同样有大量的未解之谜函待解决。比方说,“我们是不是宇宙中唯一的智慧文明”这个老生常谈的问题。虽然我们最近在火星上发现了液态水,但暂未找到任何显示微生物存在的证据。而火星环境极其严苛艰苦,因此就算找到了这样的证据,这些外星生物也一定极为原始。

到目前为止,我们对外星生命的搜寻始终一无所获。但即将在2021年发射的詹姆斯·韦伯望远镜或将使我们搜索宜居行星的方式发生巨大变革。

之前的望远镜一般通过“凌日法”寻找地外行星,但詹姆斯·韦伯望远镜则不然。它利用日冕仪来遮挡恒星发出的、进入望远镜的光线(就像你伸出手遮挡刺眼的阳光一样),因此可以直接观测那些原本会被明亮光线所遮蔽的较小行星。

詹姆斯·韦伯望远镜不仅能探测新行星,还能判断这些行星是否适合生命居住。恒星发出的光线进入行星大气层后,特定波长的光线便会被吸收,在反射光谱中留下一些空缺。就像条形码一样,这些空缺的排列规律可以帮助科学家分析行星的大气层成分。

而詹姆斯·韦伯望远镜能够读取这些“条形码”,借此分析某颗行星的大气是否具备生命存活的必要条件。在接下来50年间,我们将针对性地开展太空任务,弄清这些目标行星上是否存在外星生命。

科学家认为,离地球不远的木卫二便可能是太阳系中拥有生命的星球之一。尽管木卫二温度低至零下220℃,但在木星的强大引力作用下,木卫二的地下水也许会不断搅荡、避免结冰,因此其中也许生活着微生物、甚至水生生物。

定于2025年发射的“欧罗巴快船”探测器(Europa Clipper)将证实木卫二上是否存在地下海洋,并为后续任务寻找合适的登陆地点。它还将对木卫二表面冰层中喷出的液态水展开观察,分析其中是否存在有机物分子。

总而言之,关于宇宙的运作机制、以及我们在宇宙中所处的地位,仍有许多未解之谜尚未揭开。宇宙不会轻易吐露它的秘密,但在接下来50年间,宇宙在我们眼中一定会变得截然不同。

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关键词:宇宙

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