八個讓科學家夜不能寐的大問題

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And when [man] has conquered all the deeps of space and all the mysteries of time —— still he will be beginning

——H.G.Wells

人類擁有著無限的求知慾。我們不停的發出疑問，並試圖闡明背後的原理。到目前為止，我們在理解宇宙的奧秘上已經做的相當好了。但還遠遠不夠，每當我們解決了一個問題，就會立即產生一個新的謎題。下面我簡述八個大問題，科學家為此絞盡腦汁，卻還不知道我們離真理有多遠。但他們已經開始了一系列探測計劃幫助我們尋找答案。

1. 我們從哪裡來？

△ 宇宙經歷了一次又一次的膨脹和收縮。

我們有很說服力的證據表明，宇宙誕生於約138億年前。但這是否真的是故事的開始？有沒有可能，在那之前宇宙就存在了？我們的宇宙是否是由兩個平行宇宙對撞而產生的？又或者宇宙是一直在循環的？老實說，我們可能永遠也得不到真正的答案......

任務：高能X-射線衛星EXIST

△ EXIST（圖片來源：NASA）

未來的太空望遠鏡將更好的研究從遙遠伽瑪射線暴發出的光線，這或許可以幫助物理學家尋找「圈量子引力」理論的證據，該理論預言了大爆炸是由之前存在的宇宙坍縮而形成的。

擴展閱讀：《最最基本的大問題：宇宙是如何開始的？》。

2. 什麼是暗能量？

△ 通緝暗能量！（圖片來源：Artwork by Sandbox Studio, Chicago）

或許它是一種未知的力或能量，佔據了宇宙總質量-能量的68.3%。或許是一種神秘的引力性質，又或許跟額外維度有關。我們對它一無所知。只知道是它導致了宇宙加速膨脹。

任務：WFIRST （2020年代中期）

△ WFIRST的藝術描繪。（圖片來源：NASA's Goddard Space Flight ）

NASA研發的寬視場紅外巡天太空望遠鏡（WFIRST）將調查暗能量究竟是一種能量或者一種引力現象。

擴展閱讀：《如果能量不守恆......》。

3. 時間的箭頭

△ 時間的不對稱性：破蛋不能夠重圓。（圖片來源：BBC）

從直覺上我們都知道，時間是方向不對稱性的，它只向前流逝，一個破碎的雞蛋永遠無法自發的「破蛋重圓」。有一些人認為這是熱力學第二定律所導致的，有一些人則認為是暗能量的結果。甚至有一些人在鼓吹時間之前的時間，即在大爆炸之前的一個時期，時間實際上是逆流的。

任務：太空引力波探測器站 （2030年代）

△ eLISA引力波探測器。（圖片來源：ESA）

超靈敏太空陣列允許我們研究時空的漣漪——它們來自大爆炸之前，攜帶著宇宙誕生之前的狀態的信息。

擴展閱讀：《時間之箭：從熵到大爆炸再到萬物理論》，《暗能量是導致時間總是指向未來的幕後黑手？》。

4. 什麼是暗物質？

△ 暗物質有許多候選者，比如軸子、WIMP等。（圖片來源：NASA's Goddard Space Flight ）

通過引力效應，科學家推測暗物質佔據了宇宙總質量-能量的26.8%。科學家提出了許多暗物質的候選者，比如WIMPs、軸子和額外維物質等。但也有可能根本不存在暗物質，只是目前最好的引力理論——廣義相對論需要得到修正。我們仍然在黑暗的迷霧之中......

任務：歐幾里得探測器 （2020年？）

△ 歐幾里得衛星的藝術描繪。（圖片來源：ESA）

歐洲航空局提出了歐幾里得任務，通過精確地測量宇宙膨脹來尋找暗物質的本質。

擴展閱讀：《探索宇宙的黑暗面》。

5. 為什麼是物質？

△ 氫：由質子和電子組成；反氫：由反質子和正電子組成。

當物質和反物質相遇時，它們會湮滅產生能量。科學家認為在宇宙誕生后，應該有等量的物質和反物質產生，結果就是全部湮滅，只留下一片能量。但現在我們看到宇宙中有碳基生命、行星、恆星和星系。是什麼導致現在的宇宙中只剩下物質？而沒有反物質？

任務：LHCB

△ LHCb探測器。（圖片來源：LHCB）

在CERN的大型強子對撞機（LHC）中的「美麗實驗」（或稱為底夸克實驗）中，科學家通過研究底夸克的相互作用試圖理解物質-反物質不一致的秘密。

擴展閱讀：《為什麼我們都是由物質組成？而不是反物質？》，《對稱性的又一次勝利》。

6. 萬物皆由弦構成的嗎？

△ 世界是由一維的弦組成的嗎？（圖片來源： flickr user Trailfan）

10到26維，D-膜和S-對偶，卡拉比-丘流行和M-理論。歡迎來到奇異的弦理論世界！在這裡，一維弦的振蕩構成了我們世界的一切。但問題是：我們要怎麼驗證它的正確性？

任務：天文測量

△ 等效原理。（圖片來源：http://www.astro.cornell.edu/）

通過超級靈敏的下一代望遠鏡對太陽系以外的天體進行精確測量，或許能夠探測到違反愛因斯坦的等效原理的跡象，有些人認為這是弦理論的一個強有力證據。

擴展閱讀：《十個問題，帶你認識弦理論》，《愛因斯坦的陀螺》。

7. 我們是孤獨的嗎？

△ 上行為德雷克方程，下行為Adam Frank提出的新方程。（© A. Frank/University of Rochester）

宇宙中存在著生命——我們的存在證明了這一點。但是，我們是唯一嗎？或許在宇宙的各處都有生命在演化著？如果有其它的外星智慧生命，他們會跟我們問一樣的問題嗎？又或者他們不想被我們找到？

任務：突破傾聽

△ 從左自右：Yuri Milner、Stephen Hawking、Martin Rees、Frank Drake、Ann Druyan 和 Geoff Marcy.

這個一億美元的項目，是由俄羅斯億萬富翁Yuri Milner發起資助的。目標是掃描離我們最近恆星，甚至是星系中有可能是智慧來源的射電和光信號。這是尋找外星生命最雄心勃勃的計劃。

擴展閱讀：《人類在宇宙是孤獨的嗎？》，《外星人究竟在哪裡？一個你可能不會喜歡的答案》。

8. 我們何處去？

△宇宙的可能面臨的命運？（圖片來源：NASA/STSc）

宇宙的最終命運是什麼？宇宙會在某個時刻突然停止膨脹，並開始收縮回到它剛誕生時的狀態嗎？或者它將不斷地膨脹下去，並最終將一切撕裂？又或者宇宙將達到熱寂狀態，一切事物都將處於一個溫度，但隨著持續膨脹，宇宙會變得越來越冷，直至陷入一片死寂？又或者，未來人類將足夠強大到能夠掌控時空的命運？只要時間能告訴我們.......

任務：下一代望遠鏡

△ 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。（圖片來源：NASA/STSc）

新的望遠鏡，比如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和引力波探測器，將幫助我們正確的測量宇宙的膨脹率，允許我們更精確的測量宇宙中的密度。

擴展閱讀：《宇宙的命運》。

編輯：yangfz

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