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星系|英媒盘点宇宙七大未解之谜

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参考消息网3月3日报道英国广播公司《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 。
【星系|英媒盘点宇宙七大未解之谜】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 。

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