为揭示万物存在的奥秘，本世纪亟待解决的

美国国家研究委员会日前发布研究报告，列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题，并同时建议美国政府研究机构加强协调，集中资源为这些难题寻找答案。

这份报告由19名权威物理学家和天文学家联合执笔，认为暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重。“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”在11个大问题中分列第一和第二位。

据认为，暗能量的性质将决定宇宙的命运。美国国家研究委员会的报告建议，美国能源部和宇航局等机构应该进行跨部门合作，研制新一代广视野天文望远镜，以帮助科学家们探索神秘的暗物质和暗能量，并进而获取有关物质、空间和时间的基本信息。

这是一个现代物理学的传说：有两位科学家在同一所大学工作，但是他们的研究领域不同。其中的一位研究的是距离地球非常遥远的巨型天体；而另一位则被他面前的微型物质弄得神魂颠倒。为了满足他们的好奇心，其中的一人建造了世界上最强大的望远镜，另一个人则建造了世界上最好的显微镜。而当他们把自己的仪器对准越来越远或者越来越小的客体时，他们开始观测到人们未曾见过甚至从未想过的结构和行为……他们感到激动不已，但同时也有一种失望的感觉，因为他们的发现跟现存理论并不相符。

直到有一天，他们从各自的仪器边走开，想喝一杯咖啡休息一下。碰巧的是，他们在系里的休息室相遇了。在休息室里，他们谈起了各自的发现，并且都非常同情对方的遭遇。突然之间，他们都意识到，虽然从表面看来他们所观测的是宇宙的两个相反的极端，但是他们看到的却是同一个现象。就像两个摸到野兽的盲人一样，其中的一位科学家抓住了像鞭子一样的尾巴，而另一位则抓住了咯吱作响的嘴巴。通过沟通交流后，他们认识到，原来他们所摸到的是同一条鳄鱼。

同样，粒子物理学家和天文学家发现，他们现在所处的境遇正是这样一种状况。物理学家把线性和环形加速器用作他们的高分辨率“显微镜”，来研究小得他们无法看见的原子组分。天文学家则利用大约有一打的超大尺寸的新型望远镜来研究同样的微粒，不同的是，他们的微粒是在遥远的天空中的。这一前所未有的知识碰撞意味着粒子物理学的圣杯——即统一自然界中的全部四种相互作用（电磁力、弱力、强力和引力），将部分地由天文学家捧得。

这一暗示对于科学家来说是令人兴奋的，因为在毫不相关的现象之间所发生的奇特联系在过去总是产生观念上的飞跃。例如，当毕达哥拉斯证明抽象数学可以被用于现实世界的时候，科学诞生了；当牛顿发现行星和下落苹果的运动都是引力作用的结果时，相似的飞跃也曾发生过；麦克斯韦在其统一了电和磁的时候创造了物理学的新纪元；最伟大的统一者爱因斯坦则把物质、能量、空间和时间编织在一起。

但是没有人把量子力学的微小世界与我们通过望远镜看到的大世界联系起来。当这一大一小两个世界联系在一起的时候，物理学家们就认识到他们距离一个单一的能够解释大自然根本工作方式的“万物之理”——人们曾长期追求的统一场论很近了。

大约在两年以前，美国国家研究理事会（NRC）物理学及天文学分会发表了一项声明，公布了这两个领域的集中议程。此后，NASA（美国航空航天局）负责人丹尼尔 · 戈丁（Daniel Goldin）提交了一份特别报告，详细地论证了天文学家和物理学家能够从对方的研究中得到多大的收益。最近，NRC宇宙物理委员会公开了这份报告。这份报告详细地讨论了11个深刻的问题，并且其中的某些问题可能会在十年之内得到解答。倘若情况真的是这样，那么科学很可能会得到科学史上的一次最伟大的飞跃。

但是首先，什么是我们所不知道的呢？

什么是暗物质？

我们能够发现的所有普通物质合起来只占宇宙的40%。这一点我们是通过计算维持星系聚扰，以及维持它们聚集在一个大的星系族时所作的运动需要多大的质量而推算出的。估计看不见的物质的重量的另一个方法是，看远处客体的引力能使光线发生多大程度的弯曲；而每一次测量都告诉天文学家，宇宙的大部分是看不见的。

说宇宙必定并且也需要充满着看不见的尘埃云或者死去的恒星确实很诱惑人，但是有令人信服的论据表明，情况并非如此。首先，虽然我们能够发现物质的黑暗形式，即使对于最黑暗的形式我们也有办法发现，但是几乎每一次试图找到丢失的尘埃云和恒星的努力都以失败而告终了。其次，更加令人信服的是，宇宙学家能够非常精确地计算大爆炸之后不久的核反应过程，并把期望结果与现实的宇宙组成相比较。这些计算结果显示，由我们熟悉的质子和中子组成的普通物质的总量比宇宙的总质量小得多。但不论其余是什么，它们与组成我们自身的物质肯定不同。

寻找丢失的宇宙是业已摆在宇宙学家和粒子物理学家面前的一项中心任务。最主要的暗物质候选者是中微子（neutrino）和其它两种由某些物理学家预言但从未检测到的粒子：中性微子（neutralino）和轴子（axion）。所有这三种粒子都被认为是电中性的，因此它们都不能吸收或者反射光线，然而它们非常稳定，能够从大爆炸之后的最早时刻一直幸存至今。

暗能量的性质是什么？

最近，宇宙学的两项发现证实，普通物质和暗物质仍然不能解释宇宙的结构。在它们之外，宇宙还存在着第三种组分，这第三种组分不是物质而是暗能量的某种形式。

支持这种神秘组分的第一条证据来自于对宇宙几何结构的测量。爱因斯坦理论指出，所有物质都会改变其周围的时间和空间的形状。因此，宇宙的总体形状是由其内部的总质量和总能量决定的。最近人们对大爆炸留下的辐射进行了深入的研究，研究的结果表明，宇宙具有最简单的形状——它是平坦的。而这一发现又揭示了宇宙的总质量密度。但是，把所有可能的暗物质和普通物质全部累加在一起，天文学家仍然有三分之二的缺口不知道从哪儿来。

第二条证据暗示此神秘组分必定是能量。对遥远的超新星所进行的观测表明，宇宙的膨胀速度并不像科学家曾经设想的那样是在减小的；实际上，膨胀的步调在加快。宇宙的此种加速膨胀很难解释，除非有一种普遍存在的排斥力在连续不断地推着时空向外膨胀。

为什么暗能量会产生一种排斥性的力场呢？这解释起来有些困难。量子理论认为，虚粒子在回归到虚无状态之前，能够以某种短暂的运动状态存在一段时间。这意味着真空并不是什么都没有。相反，空间充满着在虚粒子和它们的反物质伙伴出现和消失的瞬间产生的很低的能量，而留下一个非常微弱的被称为真空能的场。

暗能量应当产生一种负压力，或者斥力，因为只有这样才能解释为什么宇宙的膨胀是在加速的。考虑一个简单的类比：如果你把空密封容器中的一个塞紧的活塞向后拉，那么容器中就将产生一块粗真空区域。起初，活塞提供的阻力很小，但是随着你向后拉的程度越来越大，真空度将变得越来越高，并且活塞对你的阻力也将变得越来越大。虽然外部空间中的真空能是通过量子力学的某种古怪的规则，而不是通过人拉活塞这种方式进入容器中的，但是这个例子演示了斥力怎样能够用负压来产生。

重元素（从铁到铀）是怎样产生的？

暗物质和暗能量可能都来源于诸如氦和锂等轻元素出现时的宇宙早期，而重元素则是后来在恒星的内部形成的。在恒星的内部，核反应使得质子和中子相互挤压在一起，形成了新的原子核。例如，四个氢原子核（一个氢原子核含有一个质子）通过一系列反应能够聚变成一个氦原子核（含有两个质子和两个中子）。这就是在我们的太阳中所发生的反应，而且地球从太阳处获得的能量也正是在这种反应中产生的。

但是，如果聚变要产生比铁还重的元素，那么它需要有额外的中子。因此，虽然发生过程的具体细节还不清楚，但天文学家仍然推测重原子来自于超新星的爆发，因为在超新星的爆发区域有现成的中子供给。最近，有科学家推测至少有一些最重的元素，比如金和铅，是当两个中子星（普通恒星在燃烧完了之后所留下的微小天体）碰撞并且塌缩成一个黑洞（此时所发生的爆炸甚至比超新星爆发更加猛烈）时所产生的。

中微子有质量吗？

宇宙中的中微子数目简直无法计数。如果每一个中微子都具有质量，甚至是最微小的质量的话（即图中所示的右球比无质量的左球只重一点点），那么这一重量就有可能解释宇宙中的许多看不见的暗物质

核反应（例如产生重元素的反应）还会产生大量的像幽灵似的亚原子粒子——中微子。这些中微子属于一种被称为轻子的粒子族，在这族粒子中还有我们所熟悉的电子以及μ介子和τ介子。因为中微子几乎不跟普通物质发生作用，所以它们可以让我们直接“看到”恒星的内部。当然，这只有当我们能够捕获并且研究它们（物理学家们现正在研究）之后才有可能。不久以前，物理学家们还认为中微子是无质量的，但是最近的研究进展显现中微子可能带有一个很小的质量。这方面的任何证据都还将有助于检验寻求对自然界四种作用力中的三种（即电磁作用、强作用和弱作用）进行统一描述的理论。我们不能忽略中微子的质量，即使它小得可怜，因为自大爆炸以来，宇宙中所产生的中微子数目是非常巨大的。

超高能粒子是从哪儿来的呢？

从太空射来的高能粒子被称为宇宙射线（cosmic rays），它包括中微子以及伽马射线光子和其它各种亚原子粒子。宇宙射线无时不在轰击地球。当你在阅读这篇文章的时候，有些宇宙射线说不定正从你的身上穿过呢。宇宙射线的能量有时特别高，所以它们必定是产生于以超大规模激变（cataclysms）为燃料的宇宙加速器中的。为科学家们所怀疑的来源有：大爆炸本身、超新星塌缩成黑洞所释放的激波和受到星系中央的巨型黑洞的吸引而作加速运动的物质等。知晓这些粒子的来源以及了解它们获得如此之高的能量的机制将有助于我们理解这些激烈客体的运转机理。

需要新理论来解释超高能和超高温下的物理现象吗？

在上述提及的所有激烈现象都留下了某种可见的辐射踪迹，尤其是伽马射线（伽马射线是普通光线的超高能表亲）。这些射线突然发出灿烂的光芒被称为伽马射线爆发。天文学家发现伽马射线爆发每天都在天空的各个方向随机地发生到现在已经有三十年了。

最近，天文学家已经确定了伽马射线爆发的位置，并且暂时把它们看成是大质量超新星的爆发和中子星与中子星以及中子星与黑洞之间的碰撞。但是甚至到现在也没有人知道，在如此之大的能量向四周发散的时候，到底发生了什么。在此过程中，物质的温度变得非常的高，这使得它能以一种新奇的方式与辐射发生相互作用，并且光子和辐射能够相互碰撞产生新的物质。此时，物质和能量之间的差别也变得模糊不清了。在外加磁学因素的影响下，物理学家只能对这些在此地狱般的环境中所发生的事情进行粗略的猜测。或许，目前的理论根本不能解释它们。

（未完待续）

[Discover，2002年2月号]