英媒盘点宇宙七大未解之谜

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英国广播公司《科学焦点杂志》网站2月16日刊发题为《宇宙的七大谜团(以及为何成为未解之谜)》一文,作者为马库斯·乔恩。全文摘编如下:

在过去10年里,我们拍摄到一些黑洞照片,窥视到原子的中心,并回顾了宇宙的诞生。但我们对宇宙及宇宙法则的理解仍存在巨大的鸿沟。这些谜团将在未来10年及更远的时间里令物理学家和天文学家感到困惑。

为什么是“有”而不是“无”?

根据宇宙学的标准模型,宇宙最初是“暴胀真空”。宇宙具有超高的能量密度和反引力,导致其膨胀。它的能量密度越高,反引力就越大,膨胀就越快。

与所有的“量子”态相同的是,这种真空是无法预测的。它会在任意地点坍缩为日常所见的普通真空。而暴胀真空蕴含的巨大能量必须得到释放。

释放的能量创造了物质,并将其加热到极高温度,由此创造了“大爆炸”。我们的宇宙只是在不断膨胀的暴胀真空中,众多大爆炸气泡之一。

不可思议的是,整个过程可能始于一片暴胀真空,其质量相当于一袋白糖。所幸,物理学法则,特别是量子力学法则,允许此类物质从“无”到“有”。显然,下一个问题是,物理学法则源自何方?

1918年,德国数学家埃米·诺特对此做出解释。她发现,伟大的守恒定律不过是空间和时间完美对称的结果。即便我们改变视角,事物仍会保持不变。

这种对称的一个惊人特性是,真空(一个完全空无一物的宇宙)也有对称。因此,或许从“无”到“有”的转变并不稀奇。或许,这只是充满星系的宇宙从“无”转变为“结构化的无”。

但为什么会发生这种转变?美国物理学家维克托·斯滕格指出,随着温度的下降,水会变成结构化的水,也就是冰,因为冰更稳定。他猜测,宇宙会不会由“无”变成“结构化的无”,因为“结构化的无”更稳定?

为什么每个星系的中心都有一个巨大黑洞?

在我们的宇宙中,大约有2万亿个星系。据我们所知,几乎每个星系的中心都包含一个超大质量黑洞。它们的大小不等,从质量约为太阳500亿倍的“庞然大物”,到位于银河系中心、质量约为太阳430万倍的“小不点”——人马座A*黑洞。但它们是如何形成的,这是宇宙学巨大的未解之谜之一。

我们知道,恒星级黑洞是由超新星爆炸形成的。但没人知道超大质量黑洞如何形成。

在宇宙历史的大部分时间里,各大星系的中心一直是大量物质被限制在小范围的地方。形成超大质量黑洞的,可能是由恒星级黑洞构成的致密星团,因为恒星级黑洞一直在不断合并。

这方面的初步证据来自引力波探测所揭示的两个黑洞之间的合并。其中一个黑洞太大,不可能是超新星的遗迹,因此可能源自早前的黑洞合并。

形成超大质量黑洞的另一种可能方式是致密气云的直接收缩。

在宇宙大爆炸中,也有可能形成超大质量黑洞。这将为宇宙版本的“先有鸡还是先有蛋”的问题提供新的答案:星系和超大质量黑洞,哪个先出现?

尽管质量超大,但即使最大的超大质量黑洞也不比太阳系大多少。但超大质量黑洞会形成超快物质喷流。在喷流较快的区域,也就是星系的内部区域,喷流吹散了气体,扼杀了恒星形成;而在喷流放缓的区域,也就是星系的外缘,气体受到压缩,恒星由此形成。

什么是暗物质?

暗物质不会发光,或发出的光太微弱,我们无法探测。我们知道暗物质的确存在,是因为发现了它的引力对可见恒星和星系的影响。举例而言,如果没有大量无形物质,银河系绝对不可能在大爆炸以来的138.2亿年里凑够物质来形成恒星,这些无形物质提供的引力加速了这一进程。

欧洲航天局的“普朗克”卫星发现,暗物质占宇宙质能的26.8%,而普通的“原子”物质仅占4.5%。因此,暗物质的质量是可见恒星和星系的6倍。

令人困惑的是,尽管经过数十年的搜寻,但地球上的实验没有找到任何有关暗物质的证据。可以想象,需要修改的不是我们的物质理论,而是引力理论。或者,暗物质不是由单个粒子构成的流体,而是像在我们周围可见的原子物质一样复杂的物质。或许,宇宙中充满了暗恒星、暗行星,甚至暗生命!

时间存在吗?

时间是一个难以把握的概念。我们认为自己所知的说法大多数都是错误的。

举例而言,我们认为时间是流逝的。但对于某种流动物体而言,它必须相对于其他物体流动,就像一条河流相对于河岸流动一样。时间是否会相对于其他事物——比如第二种类型的时间——流动?这种想法似乎很荒谬。时间的流逝很可能是我们的大脑创造的一种幻觉,以此来组织不断通过我们的感官涌入的信息。

我们还强烈感到有着共同的过去、现在和未来。但在我们对现实的基本描述中却没有什么“共同”而言。根据相对论,如何精确地衡量别人的时间取决于他们相对于你移动的速度,或他们承受的引力强度。

这种效应只能在接近光速或超强引力条件下才能观察到,因此在日常生活中并不明显。然而可以得出这样的观点:一段时间,以及一段空间,都是因人而异的。

事实上,还不止于此。空间和时间紧密交织,难解难分。在我们的宇宙中,从大爆炸到宇宙寂灭,所有事件都排布于事先存在的四维时空地图上。没有什么真能“穿越”时间。

正如爱因斯坦在朋友米歇尔·贝索去世后所写:“现在他先于我离开这个陌生的世界。这没什么。像我们这些相信物理学的人都知道,过去、现在和未来之间的区别只是一种顽固执着的幻觉。”

什么是暗能量?

它是无形的,充满了所有空间,它的反引力正在加速宇宙的扩张。天体物理学家在1998年发现了“暗能量”,当时他们正在研究Ia型超新星——据信,这种恒星爆炸会释放出一定量的能量,并以宇宙100瓦灯泡那样的标准光度燃烧。

问题在于,最遥远的超新星比预想中暗淡。宇宙扩张加快了速度,将它们推得更远。

当时认为在广袤宇宙中唯一起作用的力量是引力。引力像星系之间的一张无形网,在为宇宙扩张踩刹车。

有关宇宙正在加速扩张的发现令宇宙学家大吃一惊,他们不得不假定某种物质的存在。惊人的是,这种物质占到宇宙质能的2/3。这种“暗能量”压倒了引力,在大约50亿年前获得了宇宙的控制权。

2022年,欧洲航天局将发射欧几里德太空望远镜。它将测量暗能量如何随宇宙时间变化而变化,希望能为解决科学最大难题提供重要线索。

为什么我们没有看到外星人的迹象?

目前,已提出成百上千种解释,其中包括:我们是银河系中出现的首种智慧生命,因此是完全孤立的;我们身处一个“托儿所世界”,禁止可能对我们的发展产生不利影响的先进文明进入。

一种相对乏味的可能是,外星人在遥远的过去访问地球的任何迹象都会被风、雨和地质演变所消除。但最近,由美国纽约罗切斯特大学领导的一个研究小组提出,我们的太阳可能只是被一波宇宙扩张绕开了。

一个仍然存在的问题是,为什么我们用望远镜搜寻了半个多世纪,都没能在银河系中看到外星人的迹象。美国宾夕法尼亚州立大学团队说,这并不难理解:我们只搜索了银河系的一小部分,相当于如果银河系是地球海洋,我们只搜索了一个浴缸。

为什么大自然基石会三迭代?

如果乐高推出一种新版本的积木,其中每块都比标准积木大成百上千倍;然后它又推出一个版本,每块比标准积木大成千上万倍——你自然会认为这家公司疯了。但这正是大自然对其基本单元夸克和轻子所做的事情。

普通物质仅由两种夸克和两种轻子构成。但还存在“第二代”夸克和轻子,除了重成百上千倍外,所有粒子都与第一代相同;而在第三代粒子中,它们也与第一代相同,但重了成千上万倍。

较重的第二代和第三代粒子需要大量的能量来创造,因此今天很少见。不过,它们很可能在大爆炸中扮演了关键角色。

但为什么每一代粒子的质量都大不相同?美国物理学家、诺贝尔得主史蒂文·温伯格博士做出了一个有趣的猜测。

构成物质的基本单元通过与希格斯场相互作用而获得质量。希格斯场是一种充满所有空间的不可见流体。

这就像操场上的传话游戏:让孩子们接力传递一条信息,传的人越多,信息与起初时的偏差就越大。或许,粒子每降一代,就会“感觉”离希格斯场越远,因此其质量生成效应也就会被削弱。

温伯格不知道这种机制运作的具体细节。但是其他物理学家认为,他可能提供了解答大自然基石三迭代之谜的线索。

来源:参考消息网

标签: 未解之谜

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