愛(ài)因斯坦和超越他：誰(shuí)是空間科學(xué)的開(kāi)拓者？

■候濤

科學(xué)家正在研究遙遠(yuǎn)星系中的黑洞，工程師正為探索難以到達(dá)的行星設(shè)計(jì)機(jī)器人儀器，教室里也在解釋宇宙的奧秘，小學(xué)生則對(duì)地球以外的任何地方是否存在生命感到困惑。所有這些人都是未來(lái)空間科學(xué)的開(kāi)拓者，他們因?yàn)樘剿骱土私馕覀兊奶?yáng)系以及對(duì)宇宙的追求聯(lián)系在一起?，F(xiàn)在，我們將向您一一介紹美國(guó)航空航天局的空間科學(xué)開(kāi)拓者們，他們有老有少，有著不同的背景與興趣。

愛(ài)因坦斯接受了美國(guó)國(guó)籍

提名一位空間科學(xué)開(kāi)拓者！他是所有時(shí)代中一位最偉大的空間科學(xué)開(kāi)拓者！雖然他的大部分發(fā)現(xiàn)早于第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)入太空50余年，早于人類在月球漫步60余年，早于第一架航天飛機(jī)升空70余年。我們來(lái)想象一下，一個(gè)世紀(jì)前，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦開(kāi)始創(chuàng)造他的相對(duì)論，我們從而能夠使用這一概念去理解空間、時(shí)間和重力。1905年將永遠(yuǎn)被視為愛(ài)因斯坦的“奇跡年”，這位當(dāng)時(shí)只有26歲的年輕人改變了我們看待空間、時(shí)間、物質(zhì)、能量和宇宙的方式。愛(ài)因斯坦關(guān)于光速、物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)、重力的影響以及能量同質(zhì)量之間關(guān)系的理論，最終引出有關(guān)宇宙如何起源的大爆炸理論和一些新概念（例如黑洞和暗能量）。

盡管愛(ài)因斯坦的一些最重要的成果直到1915年才出現(xiàn)，但美國(guó)航空航天局和其他組織為了紀(jì)念愛(ài)因斯坦創(chuàng)新性研究的100周年，于2005年舉辦了整整一年時(shí)間的慶?；顒?dòng)，被稱為“愛(ài)因斯坦百年紀(jì)念”。他的研究成果對(duì)科學(xué)和社會(huì)的影響無(wú)疑將持續(xù)未來(lái)多個(gè)世紀(jì)。

大多今天正處于進(jìn)行中的尖端空間科學(xué)是愛(ài)因斯坦成果的延伸物。例如，在美國(guó)航空航天局進(jìn)行的名為“超越愛(ài)因斯坦”的研究項(xiàng)目中，科學(xué)家運(yùn)用他們的才智和美國(guó)航空航天局提供的器具來(lái)搜索三個(gè)重要問(wèn)題的答案：是什么動(dòng)力引發(fā)了宇宙大爆炸？什么是暗能量？在黑洞的邊緣會(huì)發(fā)生什么事？

關(guān)于宇宙如何起源有不同的理論，愛(ài)因斯坦自己沒(méi)有設(shè)想出大爆炸理論（這一理論認(rèn)為宇宙由一個(gè)具有密集能量的微點(diǎn)爆炸而成，并從那時(shí)起一直處于擴(kuò)張狀態(tài)）。但正是愛(ài)因斯坦的數(shù)學(xué)方程描繪了質(zhì)量、能量、重力和宇宙的其他方面如何相互影響，科學(xué)家稍后才支持這樣的解釋。

約翰·霍普金斯大學(xué)教授查爾斯·貝內(nèi)特領(lǐng)導(dǎo)著科學(xué)家進(jìn)行美國(guó)航空航天局的威爾金森微波各向異性探測(cè)器項(xiàng)目。在這個(gè)以太空為基地的強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡的幫助下，該項(xiàng)目展現(xiàn)出了宇宙在130余億年前的“嬰兒期畫(huà)面”，那時(shí)離宇宙大爆炸發(fā)生不超過(guò)10億年。貝內(nèi)特表示，今天的研究人員必須繼續(xù)問(wèn)問(wèn)題和思考條條框框（就如同愛(ài)因斯坦所做的那樣），來(lái)計(jì)算出什么會(huì)引發(fā)大爆炸。貝內(nèi)特現(xiàn)在聚焦于確定宇宙如何有可能從大爆炸開(kāi)始階段演變成現(xiàn)在我們看到的狀態(tài)。他說(shuō)：“愛(ài)因斯坦極度信奉實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)，這二者既能引導(dǎo)，又能檢驗(yàn)理論。他始終保持著對(duì)事物的敏銳眼光，盡管很多完全不合乎情理。他問(wèn)自己如何能用有創(chuàng)意的新思路解決這些問(wèn)題?！?/p>

新思路是芝加哥大學(xué)教授肖恩·卡羅爾現(xiàn)在所關(guān)注的，他的工作任務(wù)是設(shè)想出某些方式，即神秘的、尚未被看到的、被稱為暗物質(zhì)的力量如何可以造成宇宙擴(kuò)大的速度越來(lái)越快。這聽(tīng)起來(lái)很具有挑戰(zhàn)性，而在知道宇宙正在擴(kuò)張之前，想象一下預(yù)期這股力量的難度吧！那就是愛(ài)因斯坦曾經(jīng)做過(guò)的。

愛(ài)因斯坦方程中的宇宙需要擴(kuò)張或收縮，但是，在那個(gè)時(shí)代，他和其他人都認(rèn)為上述點(diǎn)宇宙都沒(méi)有在做。所以，愛(ài)因斯坦將他所稱的“宇宙學(xué)常數(shù)”添加到他的方程式中。然而，當(dāng)后來(lái)證實(shí)宇宙確實(shí)在膨脹后，他迅速拋棄了這一術(shù)語(yǔ)。愛(ài)因斯坦稱這整個(gè)概念是他“最大的失誤”。但從現(xiàn)在看來(lái)，愛(ài)因斯坦畢竟意識(shí)到了某些東西。

二項(xiàng)新的研究（利用星系團(tuán)觀察、研究宇宙尺度上的引力特性），將愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論用于前所未有的實(shí)驗(yàn)。利用美國(guó)航空航天局觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)得出的結(jié)果表明，愛(ài)因斯坦理論仍是目前最佳的理論。這樣的研究，對(duì)于理解宇宙的演化（無(wú)論是過(guò)去還是未來(lái)）以及探索暗能量（科學(xué)的最大謎團(tuán)之一）的特性，都有著十分重大的意義。這幅Abell3376星系團(tuán)的合成圖像表明，觀測(cè)衛(wèi)星和羅斯特望遠(yuǎn)鏡得出的X射線數(shù)據(jù)呈金黃色，數(shù)字化巡天得出的光學(xué)圖像呈紅色、綠色和藍(lán)色，而射電望遠(yuǎn)鏡巨陣得出的射電影像呈藍(lán)色。X射線數(shù)據(jù)子彈一樣的外觀是由右側(cè)流入這個(gè)星系團(tuán)的物質(zhì)合并造成的，影像左側(cè)巨大的射電弧可能是由這個(gè)合并產(chǎn)生的沖擊波造成的。過(guò)去的星系團(tuán)衛(wèi)星觀測(cè)表明，暗能量在過(guò)去50億年中，抑制了這些巨大結(jié)構(gòu)的發(fā)展。同時(shí)，這些觀測(cè)還為暗能量的存在提供了獨(dú)立的證據(jù)。而暗能量，則可為宇宙距離的測(cè)量另辟蹊徑

科學(xué)家近來(lái)發(fā)現(xiàn)，宇宙不僅僅是在膨脹，它還在加速擴(kuò)張。有一種方式能解釋這種加速，那就是存在類似愛(ài)因斯坦起先的“宇宙學(xué)常數(shù)”中所提出的一種力量。

當(dāng)卡羅爾冥思苦想什么是暗能量及它來(lái)自哪里時(shí)，他效仿著他所認(rèn)同的愛(ài)因斯坦最優(yōu)秀的品質(zhì)。卡羅爾發(fā)展了新的理論，并提議如何測(cè)試它們。他說(shuō)：“愛(ài)因斯坦學(xué)習(xí)了差不多所有已知事物，在那個(gè)時(shí)代，他對(duì)新的做事方式保持著虛心。”愛(ài)因斯坦本人并不相信黑洞，但他的其他理論竟能預(yù)測(cè)到黑洞，可以肯定的是，那無(wú)疑是用開(kāi)放的心態(tài)在設(shè)想黑洞的存在。

科羅拉多大學(xué)教授米奇伯·格爾曼研究了黑洞的構(gòu)成以及它們?nèi)绾斡绊懶窍怠Ｔ谔罩?，這一區(qū)域的引力是如此之強(qiáng)，以致光都無(wú)法逃脫。他說(shuō)，他期望從現(xiàn)在開(kāi)始的大約10年內(nèi)美國(guó)航空航天局能發(fā)起二個(gè)任務(wù)：激光干涉空間天線將利用激光技術(shù)來(lái)幫助科學(xué)家更好地理解中等大小的黑洞如何合并形成大的黑洞；與此同時(shí)，攜帶四部X射線望遠(yuǎn)鏡的“X星座”空間天文臺(tái)將在物質(zhì)被吸入黑洞之前測(cè)量它們釋放出來(lái)的輻射。無(wú)論是研究黑洞還是研究其他怪異現(xiàn)象，格爾曼都通過(guò)借鑒愛(ài)因斯坦的工作態(tài)度來(lái)進(jìn)行他的研究。格爾曼認(rèn)真地說(shuō)：“他能夠采取一種假說(shuō)，并采用其符合邏輯的結(jié)論，不管這一假說(shuō)如何違反直覺(jué)。當(dāng)我思考一個(gè)奇怪的天體物理對(duì)象時(shí)，我試圖記起這個(gè)，而司空見(jiàn)慣的想法只能使你局限起來(lái)?！?/p>

當(dāng)格爾曼和其他科學(xué)家尋求關(guān)于早期宇宙、暗能量及黑洞等一系列問(wèn)題的答案時(shí)，他們用同一種方式看待愛(ài)因斯坦的理論，如同以前愛(ài)因斯坦看待別的那些理論一樣。他們使用這些理論來(lái)解釋我們的宇宙中存在的盡可能多的神秘現(xiàn)象，但同時(shí)也保留了修改這些理論的權(quán)力，以此作為發(fā)展全新理論的基石。

誰(shuí)能知道？也許某一天有人會(huì)構(gòu)想出一整套全新的理論，這些理論甚至是愛(ài)因斯坦都從未想到過(guò)的。那個(gè)人甚至可以是你，雖然也許不是在一年之內(nèi)。

想象一下，這幅宇宙的“嬰兒期畫(huà)面”顯示了超過(guò)130億年前溫度的微小變化，那離宇宙大爆炸發(fā)生后不久?？茖W(xué)家在對(duì)整個(gè)天空為期12個(gè)月的全面觀測(cè)期中，使用美國(guó)航空航天局的威爾金森微波各向異性探測(cè)器捕獲了這一畫(huà)面