探索宇宙之謎

十年前，宇宙學家發現自己生活在一個謊言中。宇宙膨脹的速度沒有像他們一直以來認為的那樣因為重力的作用而減緩，其速度一直在加快。

目前的解釋是，儘管仍然不確定，但是我們所了解的一切——整個宇宙組織，從我們手中的咖啡杯到太陽繫到整個星系團——只是真實存在的所有無知的約1%左右，另外3%左右的物質是熱星際氣體，我們能夠看到它們，因為這些氣體能夠射出X射線和無線電波。然後，情況變得詭異起來。據認為，一種叫作暗物質的不可見物質，也可能是類似於巨大黑洞或者不可見微粒那類特殊現象，構成了另外22%的宇宙。而幾乎佔總量3/4的另外的能量，被成為暗能量，卻顯然是一種正在令宇宙分崩離析的力量。 宇宙學家的反應有點像基努·李維斯在影片《黑客帝國》中的反應：天哪！ 弄清暗物質和暗能量的性質是當前宇宙學的首要問題。兩者都能揭示出宇宙的起源和命運，以及統治整個宇宙的物理學法則。 美國航空航天局和能源部，以及美國和全世界的研究機構，計劃花費數十億美元在地球上和宇宙中尋找答案。他們將藉助於大型粒子對撞機和新型天文望遠鏡，利用後者能夠觀測到恆星爆炸和重力誘發的光線變形等。一些科學家認為，找到答案對於人類的重大影響將不亞於發現原子。美國航空航天局戈達德航天中心的天體物理學家欣肖說：「我認為這是人類文明中的經典問題之一：我們來自於何處，為什麼我們會在這裡？在我看來，如果人類對於宇宙中96%的東西尚一無所知，那麼我們弄清楚那究竟是什麼將會非常有意義。」暗物質 人們在20世紀30年代就對暗物質的存在做出了預測，當時天文學家弗里茨·茲維基正在專註於研究一個叫作后髮座的星系團。依據從星系團中發出的光的數量——這是一種估計星系團質量和重力的方式——人們原本以為星系團邊緣的星系要比內部的星系移動得更為緩慢。但是事實上，邊緣的星系移動得更為迅速。要麼是我們對於萬有引力的工作原理理解有誤，要麼就是天文學家沒能確定某些質量相當大的物質的存在。 後來，一些天文學家發現同樣的現象小規模地發生了。星系邊緣的恆星的旋轉速度比人們依據天文學家根據可見物質的質量作出的預測要快得多。更多的證據出現在約十年前。當時，天體物理學家開始利用一項叫作「引力透鏡」的技術來研究消失的質量對於光線本身的影響。如果在我們和我們所看到的一個遙遠的物體之間存在著一個質量很大的物體——比如說，一團暗物質——這種暗物質就會使來自遙遠星系的光看起來好像是在一種魚缸效應的作用下發生了彎曲。 現在，隨著暗物質的存在逐漸被廣泛接受，科學家已經轉向研究其究竟為何種物質。因為過於暗淡而難看清的黑洞、恆星和大行星可以解釋其中的一些。但是，物理學家認為，答案或許存在於一種亞原子微粒，或是一種我們尚未發現的微粒中。 戈達德航天中心的一名高級科學家查理·穆紹茨基說：「暗物質是一種受重力影響的物質，但是從我們目前所知的來看，最多只能說其不能發光。我們可以告訴你這些物質在什麼位置，但是我們不知道它們具體是什麼樣子的。這使我們物理界的朋友非常沮喪。」 物理學家把他們的希望寄托在大型強子對撞機上，這個耗資80億美元，軌道長約17英里的設備位於地下，貫穿了瑞士和法國的邊界。這種設備能夠以光速猛烈衝擊質子。來自於全球80個國家的逾7000名科學家致力於這一複雜設備的研發，這台設備將開始全力運轉。物理學家希望其能夠解決一些基礎性問題：宇宙誕生時是什麼樣子的？強作用力和弱作用力以及重力這幾種基礎力量之間的相互作用是怎樣的？是否有一種尚未發現的微粒賦予一切東西質量？ 暗能量 如果他們能夠回答這些問題，他們就能破解暗物質這個謎。但是，目前宇宙中還有一塊未知地區，這就是暗能量。 幾十年前，天文學家埃德溫·哈勃發現，宇宙中的其它星系似乎都在向著距離我們生活的銀河系越來越遠的方向移動。而且，它們移動得越遠，運行速度就越快。但是，天體物理學家此前曾經指出，地心引力會使得宇宙的膨脹速度逐漸減緩。 之後，1998年，兩個研究小組通過觀察Ia型超新星——一種罕見的恆星爆炸現象，能夠釋放出數量巨大的、持久的光——顛覆了這一理論。通過仔細測量來自這些活動的光是怎樣向可見光譜中紅色一端變化的——類似於當火車汽笛聲離越來越遠時，聲調也會越來越低的「多普勒效應」——他們發現，在過去的數十億年中，宇宙的膨脹速度加快了。真空空間本身似乎也在作為一種能夠將物質分離開來的力量起作用，而且似乎隨著宇宙越來越大，這種力量也變得越來越強。 愛因斯坦在提出宇宙常數這個概念的時候曾經暗示過這種神秘力量的存在。所謂宇宙常數是一個假定概念，代表一種他認為能夠使宇宙恆久處於穩定狀態的力量。在哈勃發現之後，愛因斯坦否定了自己，認為宇宙常數是其一生最失敗的發現。現在看來，他的結論下得為時過早。 但是，宇宙學家最先承認，他們對於暗能量究竟為何物完全沒有頭緒。其有可能是愛因斯坦假設的宇宙常數。一些人認為，其可能是「弦論」的一個證據，這種理論認為宇宙是由我們所看不到的細小的弦和多維構成的。或者，其可能是一個標誌，是我們的物理學模型存在缺陷的一個標誌，只有當人們以宇宙的視角觀察問題的時候才會顯現出來。 找到答案已經成為美國航空航天局的首要任務。「暗能量聯合任務」這個聯合了美國航空航天局和能源部的工作小組試圖通過向太空發射一台新型望遠鏡來找到更多關於暗能量的信息。到目前為止已經出現了三台候選設備：暗能量太空望遠鏡，即「命運」號；先進暗能量物理學望遠鏡（ADEPT）；還有超新星加速探測衛星（SNAP）。

所有這些望遠鏡都能觀測到上千顆Ia型超新星，這使得宇宙學家能夠在他們弄清楚暗能量究竟是什麼物質及其可能的演變過程時更為精確。這些望遠鏡還有一些其它方面的功能。ADEPT能夠測量經由早期宇宙傳遞而來的電磁波，從它們的細微變化中發現分布在浩瀚宇宙中的星系對它們產生了怎樣的影響。SNAP和「命運」號則將利用引力透鏡來測量宇宙中的物質分布是怎樣受到暗能量影響的。 約翰斯·荷普金斯大學的物理和天文學教授查爾斯·L·貝內特負責領導ADEPT小組。他說，這項任務的篩選工作將在明年年中的時候進行，望遠鏡在未來十年的時間都將在太空工作。 貝內特說：「在未來十年中，我們將能夠獲得更多數據。我相信，屆時我們對這一問題將能夠有更多了解，甚至將可能獲得一個確定的答案。」 加利福尼亞大學伯克利分校的宇宙學家索爾·伯爾馬特之前領導的研究小組是發現暗能量的小組之一，現在他領導著SNAP小組。對他來說，最終答案正在日益明朗，但是發現問題才是真正有樂趣的事。 他說：「現在我們距離找到宇宙全貌的那副圖景越來越近了。暗能量，是一片黑暗之中那一個閃亮的小點，為那些我們之前從來沒有想過的問題提供了一些線索。對於一名物理學家來說，所謂終極樂趣，就是看到一個你可以探究的秘密出現。」
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