宇宙之謎藏在這10個地方（五）

石無魚

9、地球

它是什么？

圍繞一顆G型恒星公轉(zhuǎn)，主要由硅組成的巖石質(zhì)行星

它在哪里？

在你腳下

涉及的謎團

地球之外還有其他生命嗎？

1990年12月8日晚上，一艘飛船在地球上空960千米高處掠過。它一邊飛，一邊掃描地球表面，試圖尋找能顯示生命活動的跡象。

這不是外星飛船。這艘名為“伽利略”號的飛船是我們地球人自己的，正被派往木星執(zhí)行任務(wù)。但是在飛往木星之前，美國宇航局根據(jù)著名科學(xué)家卡爾·薩根的建議，讓它先繞地球半圈，進行一場模擬實驗，看看如果一顆星球上存在生命，那么在太空中，飛船能探測到哪些能顯示生命活動的跡象？果然，“伽利略”號探測到了豐富的水、氧氣、甲烷和一種吸收紅光的色素。這些綜合起來，“強烈暗示”地球上有生命活動。

地球仍然是我們迄今所知宇宙中唯一擁有液態(tài)水的地方。我們現(xiàn)在尋找外星生命有一個默認的假設(shè)：它們類似地球生命，也需要液態(tài)水。但是，考慮到銀河系中的行星數(shù)量（更不用說整個宇宙了），有水的地方應(yīng)該不會獨此一家。

在太陽系中，首位候選者是火星。幾乎可以肯定，火星表面過去有過海洋，可能至今地下都保留有少量的液態(tài)水。其次，還有土星和木星的一些冰質(zhì)衛(wèi)星，尤其是土衛(wèi)二和木衛(wèi)二。雖然它們的表面是冰，但冰下卻是液態(tài)的海洋。它們還富含礦物質(zhì)，對于生命的誕生十分有利。

在太陽系外，主要的搜尋目標(biāo)是那些圍繞類似太陽的恒星運轉(zhuǎn)的巖石質(zhì)行星;或者是黯淡的紅矮星系統(tǒng)中，那些位于“適宜居住帶”上可能存在液態(tài)水的巖石質(zhì)行星。

但是，液態(tài)水真是生命誕生必不可少的條件嗎？對于這一點我們并不敢十分肯定。我們只知道，有液態(tài)水存在對于生命的出現(xiàn)是十分有利的，但這只是充分條件，是不是必須得如此呢，我們可不知道。因為對于什么是生命的出現(xiàn)和延續(xù)所必需的這一問題，依然有待研究。生命的特征無非是能新陳代謝和繁衍后代。像生命的繁衍，以前認為離不開DNA，但現(xiàn)在科學(xué)家用別的材料合成出有別于天然DNA的人工DNA（你可以不把它叫DNA，叫別的名字），一樣可以完成這項任務(wù)，那你還認為生命離不開DNA嗎？

所以在尋找外星生命的時候，我們應(yīng)該放棄“地球中心主義”，擴大搜尋范圍。那些環(huán)繞棕矮星、白矮星和紅巨星運轉(zhuǎn)的系外行星;同時環(huán)繞兩顆恒星運行的環(huán)雙星行星;沒有大氣層的行星;甚至環(huán)繞氣態(tài)巨行星運轉(zhuǎn)的系外衛(wèi)星;都應(yīng)該成為我們的光顧對象。

我們自己的太陽系也有這樣一些類似的目標(biāo)。比如土星的衛(wèi)星泰坦，它上面替代液態(tài)水的是碳氫化合物的湖泊，那里也可能成為另類生命的家園。更進一步的目標(biāo)還包括金星，甚至冥王星的大氣。隨著我們對土衛(wèi)二、泰坦和木衛(wèi)二的探測提上議事日程，以及在系外行星上探測生命的技術(shù)的發(fā)展，也許我們這顆孤獨的有生命的星球很快會找到一些伙伴。

10、宇宙

它是什么？

所有一切

它在哪里？

一切地方

涉及的謎團

為什么宇宙中會有物質(zhì)存在？

在過去一百年里，我們對微觀世界的研究取得了驚人的成就。我們已經(jīng)建立了一個粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，對粒子及其相互作用做了最好的描述。但是，它有一個尷尬的瑕疵——它不能解釋我們的存在！

事實上，更糟糕的是：標(biāo)準(zhǔn)模型反而強調(diào)的是我們不應(yīng)該存在。它說，正反物質(zhì)是同時在宇宙大爆炸中創(chuàng)造出來的，兩者不多不少，應(yīng)該一樣多。但我們知道，這兩種東西彼此不好相處，一接觸就會相互湮滅，化為一道白光。所以，按理這些個“死亡派對”在宇宙誕生的第一秒內(nèi)，就應(yīng)該相互毀滅，最后留下一個除了光，什么物質(zhì)也沒有的宇宙。那樣的話，當(dāng)然就更不會有行星、恒星和生命了。

但既然我們今天能在這里從容地談著這一切，說明事情并沒有“按理”去發(fā)生，所以必定有某種原因，讓物質(zhì)贏得了勝利。

一種解釋是，反物質(zhì)只是隱藏了起來：其中的一些正反物質(zhì)，不知何故，逃脫了“死亡派對”，躲在某些個較為安全的小角落里，隨著宇宙的膨脹和冷卻，最終反物質(zhì)跑到了離我們很遠的地方。在這種情況下，應(yīng)該存在僅由反物質(zhì)組成的恒星和星系，而且這樣一個反物質(zhì)的世界里，反物質(zhì)跟我們這個世界的正物質(zhì)一樣多。

這解釋聽起來似乎很“耳順”，但遺憾的是我們至今尚未發(fā)現(xiàn)任何存在反物質(zhì)世界的蛛絲馬跡。

所以，我們必須承認，在早期宇宙中一定存在某種機制，打破了正反物質(zhì)之間的平衡，使得制造出的物質(zhì)多于反物質(zhì)。這樣，在大規(guī)模的相互湮滅之后，還有一部分物質(zhì)剩了下來。正是這些剩下的物質(zhì)，演化成了今天我們所看到的恒星、星系等這些東西。

事實上，在微觀世界，某些涉及正反粒子的相互作用中，確實存在打破正反物質(zhì)平衡的某些機制。比如，在一種叫“CP對稱性破缺”過程中，產(chǎn)生的粒子就比反粒子多了那么一點點。但令人失望的是，它只有我們期望的10億分之一左右，依然無法解釋宇宙中的物質(zhì)-反物質(zhì)不平衡。

一些人希望在中微子中找到答案。我們對這些難以捕捉的、而形狀又會變化的粒子知之甚少。中微子有三種：電子中微子、μ中微子和τ中微子。三種中微子還會相互變換。物理學(xué)家在它們玩“變形記”的過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了明顯的CP對稱性破缺現(xiàn)象。此外，我們還知道它們有微小的質(zhì)量，而這也違反了標(biāo)準(zhǔn)模型;因為按標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，它們應(yīng)該是無質(zhì)量的。

要想讓小小中微子來解釋“物質(zhì)多于反物質(zhì)”這個大問題，需要假設(shè)在中微子家族中存在一種更重的中微子。這樣，宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)就可以這樣解釋：這種更重的中微子在宇宙早期衰變?yōu)檩^輕的中微子時，因CP對稱性破缺，使得它們更多地選擇成為物質(zhì)，而非反物質(zhì)。這樣就打破物質(zhì)和反物質(zhì)的平衡，才有了我們現(xiàn)在的物質(zhì)世界。

但中微子本來就是一種難以捕捉的粒子，要找到一種新的中微子，那更是難上加難。（連載完）

拓展閱讀

CP對稱性破缺

CP對稱性破缺也叫CP不守恒。其中，P叫宇稱，C叫電荷。CP對稱事實上涉及兩個對稱，即宇稱對稱（P對稱）和電荷對稱（C對稱）。

宇稱對稱其實就是左右對稱。設(shè)想你擺好一套實驗裝置，準(zhǔn)備測量一個原子核的衰變。在這套裝置邊上擺一面大鏡子，你會發(fā)現(xiàn)，在鏡像世界里，左右都顛倒過來了。此外顛倒的還包括粒子的自旋方向，順時針變逆時針，或者反過來。

假設(shè)這個原子核衰變時，朝順著自旋方向和逆著自旋方向發(fā)射電子，但比例是不一樣的：隨便舉個例子，比如說順著自旋方向發(fā)射出去的電子占60%，逆著自旋方向發(fā)射出去的電子占40%。

宇稱守恒就是說，假如有一個科學(xué)家在鏡像世界里做這個實驗——你或許會好奇地問：科學(xué)家怎么到鏡像世界去做實驗?zāi)?？其實，他們不必跑到鏡子里去，只要把實驗裝置都按鏡像所顯示的那樣去安排就是了——實驗結(jié)果應(yīng)該跟真實世界中做這個實驗沒什么不同。也就是說，發(fā)射的電子也還是順著自旋方向占60%，逆著自旋方向占40%。這個想法似乎再自然不過了，是不是？但很遺憾，自然界并不遵循你這個想法。做同樣一個實驗，在真實世界和鏡像世界中得到的結(jié)果不盡相同。比如在鏡像世界，發(fā)射的電子順著自旋方向占70%，逆著自旋方向占30%。這就是宇稱不守恒。李政道和楊振寧就是因為提出宇稱不守恒而獲得諾貝爾獎的。

后來有人提出，那我們在此基礎(chǔ)上，把涉及實驗的所有粒子也都“反”一下，換成它的反粒子，情況如何？這就相當(dāng)于在左右顛倒的鏡像世界里，再把正反粒子也顛倒過來。也就相當(dāng)于在鏡像世界，去測量這個原子核的反粒子發(fā)射出的電子的反粒子（正電子）在兩個方向上的比例。

如果與真實世界結(jié)果相同，那就是CP守恒;如果結(jié)果不一樣，那就是CP不守恒，或者CP對稱性破缺。

大多數(shù)情況下，兩者結(jié)果一樣，說明CP守恒;但物理學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，在少數(shù)一些情況下，兩者結(jié)果不一致，這說明CP對稱性破缺了。