未來50年， 人類在宇宙中的地位或?qū)⒕拮儯?/h1>
2020-03-13 08:09:31葉子
人生與伴侶·共同關(guān)注 2020年1期
葉子
1900年，著名物理學(xué)家開爾文勛爵在英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)上宣稱：“物理學(xué)界已經(jīng)不會(huì)再有什么新發(fā)現(xiàn)了?！钡@么說簡(jiǎn)直大錯(cuò)特錯(cuò)。在接下來的一個(gè)世紀(jì)里，物理學(xué)發(fā)生了顛覆性的變化，大量理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)徹底轉(zhuǎn)變了我們對(duì)宇宙的理解以及對(duì)地球在宇宙中所處地位的認(rèn)知。
而21世紀(jì)可能也會(huì)如此，宇宙仍有許多謎團(tuán)尚未揭開，而在接下來的50年里，新技術(shù)將幫助我們不斷破解這些謎題。
第一個(gè)謎題，我們存在的基礎(chǔ)是什么？
據(jù)物理學(xué)家估測(cè)，宇宙大爆炸在產(chǎn)生構(gòu)成我們的這些物質(zhì)的同時(shí)，也生成了相同數(shù)量的反物質(zhì)。大多數(shù)物質(zhì)粒子都有對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)“孿生兄弟”，兩者特性完全相同，唯有所帶電荷相反。物質(zhì)與反物質(zhì)一旦相遇，就會(huì)在瞬間湮滅，雙方的能量都會(huì)在這一過程中轉(zhuǎn)化為光能。
但如今的宇宙幾乎完全是由普通物質(zhì)構(gòu)成的，那些反物質(zhì)究竟去哪兒了呢？
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）已經(jīng)為我們提供了一些思路。這臺(tái)機(jī)器會(huì)讓質(zhì)子以無法想象的高速相撞，產(chǎn)生較重的物質(zhì)與反物質(zhì)粒子，而這些粒子隨后又會(huì)衰變成更輕的粒子，其中有些便可能是我們從未發(fā)現(xiàn)過的新粒子。
這些實(shí)驗(yàn)顯示，物質(zhì)與反物質(zhì)衰變的速度略有不同，這或許能在一定程度上解釋我們?cè)谧匀唤缰杏^察到的不對(duì)稱性。
問題在于，物理學(xué)家習(xí)慣與精確的數(shù)據(jù)打交道，但在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中開展的實(shí)驗(yàn)卻像用網(wǎng)球拍打乒乓球一樣，很難精確控制實(shí)驗(yàn)走向。質(zhì)子由各類較小粒子構(gòu)成，當(dāng)質(zhì)子相互撞擊時(shí)，內(nèi)部粒子便會(huì)四處噴灑出去，大大增加在一大堆碎片中發(fā)現(xiàn)新粒子的難度。這樣一來，科學(xué)家就很難精確測(cè)定這些粒子的特性、借此尋找揭開反物質(zhì)失蹤之謎的線索。
但在接下來幾十年里，三臺(tái)新的對(duì)撞機(jī)將幫助我們扭轉(zhuǎn)局勢(shì)，其中最重要的一臺(tái)名叫未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）。該設(shè)備是一條位于日內(nèi)瓦周邊的環(huán)形隧道，長(zhǎng)約100公里，而大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的27公里隧道將成為這臺(tái)新對(duì)撞機(jī)的一條滑道，不過，在未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)中相互碰撞的將不是質(zhì)子，而是電子和它的反粒子——“正電子”，并且碰撞速度遠(yuǎn)比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)快得多。
不同于質(zhì)子，電子與正電子是不可分割的，因此我們很清楚究竟有哪些粒子參與了碰撞，我們還可以調(diào)整兩者相撞的能量級(jí)，借此創(chuàng)造出特定的反物質(zhì)粒子，并對(duì)它們的性質(zhì)進(jìn)行精確測(cè)定，特別是它們衰變的方式。
這些研究將揭開全新的物理學(xué)真相。也許反物質(zhì)的失蹤與暗物質(zhì)有關(guān)（暗物質(zhì)占到了全宇宙物質(zhì)的85%，但科學(xué)家目前還從未探測(cè)到過這類粒子），而無從尋覓的反物質(zhì)與無處不在的暗物質(zhì)也許又與宇宙發(fā)生大爆炸時(shí)的狀態(tài)有關(guān)，因此這些實(shí)驗(yàn)將帶我們溯源追根、深入探索我們的起源。
我們不可能預(yù)測(cè)到這些對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)揭露的真相會(huì)如何改變我們的生活，但我們上一次用“超強(qiáng)放大鏡”觀察這個(gè)世界時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了亞原子粒子和量子力學(xué)。利用這些知識(shí)，我們的計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)和能源生產(chǎn)都發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變。
第二個(gè)謎題，我們會(huì)是宇宙中唯一的智慧文明嗎？
而在宇宙層面上，同樣有大量的未解之謎丞待解決，比方說，“我們是不是宇宙中唯一的智慧文明”這個(gè)老生常談的問題。雖然我們最近在火星上發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水，但暫未找到任何顯示微生物存在的證據(jù)，而火星環(huán)境極其嚴(yán)苛艱苦，因此就算找到了這樣的證據(jù)，這些外星生物也一定極為原始。
到目前為止，我們對(duì)外星生命的搜尋始終一無所獲。但即將在2021年發(fā)射的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡或?qū)⑹刮覀兯阉饕司有行堑姆绞桨l(fā)生巨大變革。
之前的望遠(yuǎn)鏡一般通過“凌日法”尋找地外行星，但詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡則不然。它利用日冕儀來遮擋恒星發(fā)出的、進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的光線（就像你伸出手遮擋刺眼的陽(yáng)光一樣），因此可以直接觀測(cè)那些原本會(huì)被明亮光線所遮蔽的較小行星。
詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡不僅能探測(cè)新行星，還能判斷這些行星是否適合生命居住。恒星發(fā)出的光線進(jìn)入行星大氣層后，特定波長(zhǎng)的光線便會(huì)被吸收，在反射光譜中留下一些空缺。就像條形碼一樣，這些空缺的排列規(guī)律可以幫助科學(xué)家分析行星的大氣層成分。
而詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡能夠讀取這些“條形碼”，借此分析某顆行星的大氣是否具備生命存活的必要條件。在接下來50年間，我們將針對(duì)性地開展太空任務(wù)，弄清這些目標(biāo)行星上是否存在外星生命。
科學(xué)家認(rèn)為，離地球不遠(yuǎn)的木衛(wèi)二便可能是太陽(yáng)系中擁有生命的星球之一。盡管木衛(wèi)二溫度低至零下220℃，但在木星的強(qiáng)大引力作用下，木衛(wèi)二的地下水也許會(huì)不斷攪蕩、避免結(jié)冰，因此其中也許生活著微生物、甚至水生生物。
定于2025年發(fā)射的“歐羅巴快船”探測(cè)器（Europa Clipper）將證實(shí)木衛(wèi)二上是否存在地下海洋，并為后續(xù)任務(wù)尋找合適的登陸地點(diǎn)。它還將對(duì)木衛(wèi)二表面冰層中噴出的液態(tài)水展開觀察，分析其中是否存在有機(jī)物分子。
總而言之，關(guān)于宇宙的運(yùn)作機(jī)制以及我們?cè)谟钪嬷兴幍牡匚唬杂性S多未解之謎尚未揭開。宇宙不會(huì)輕易吐露它的秘密，但在接下來50年間，宇宙在我們眼中一定會(huì)變得截然不同。
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而21世紀(jì)可能也會(huì)如此，宇宙仍有許多謎團(tuán)尚未揭開，而在接下來的50年里，新技術(shù)將幫助我們不斷破解這些謎題。
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據(jù)物理學(xué)家估測(cè)，宇宙大爆炸在產(chǎn)生構(gòu)成我們的這些物質(zhì)的同時(shí)，也生成了相同數(shù)量的反物質(zhì)。大多數(shù)物質(zhì)粒子都有對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)“孿生兄弟”，兩者特性完全相同，唯有所帶電荷相反。物質(zhì)與反物質(zhì)一旦相遇，就會(huì)在瞬間湮滅，雙方的能量都會(huì)在這一過程中轉(zhuǎn)化為光能。
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但在接下來幾十年里，三臺(tái)新的對(duì)撞機(jī)將幫助我們扭轉(zhuǎn)局勢(shì)，其中最重要的一臺(tái)名叫未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）。該設(shè)備是一條位于日內(nèi)瓦周邊的環(huán)形隧道，長(zhǎng)約100公里，而大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的27公里隧道將成為這臺(tái)新對(duì)撞機(jī)的一條滑道，不過，在未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)中相互碰撞的將不是質(zhì)子，而是電子和它的反粒子——“正電子”，并且碰撞速度遠(yuǎn)比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)快得多。
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我們不可能預(yù)測(cè)到這些對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)揭露的真相會(huì)如何改變我們的生活，但我們上一次用“超強(qiáng)放大鏡”觀察這個(gè)世界時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了亞原子粒子和量子力學(xué)。利用這些知識(shí)，我們的計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)和能源生產(chǎn)都發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變。
第二個(gè)謎題，我們會(huì)是宇宙中唯一的智慧文明嗎？
而在宇宙層面上，同樣有大量的未解之謎丞待解決，比方說，“我們是不是宇宙中唯一的智慧文明”這個(gè)老生常談的問題。雖然我們最近在火星上發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水，但暫未找到任何顯示微生物存在的證據(jù)，而火星環(huán)境極其嚴(yán)苛艱苦，因此就算找到了這樣的證據(jù)，這些外星生物也一定極為原始。
到目前為止，我們對(duì)外星生命的搜尋始終一無所獲。但即將在2021年發(fā)射的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡或?qū)⑹刮覀兯阉饕司有行堑姆绞桨l(fā)生巨大變革。
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