宇宙是由什麼所構(gòu)成的–查爾斯席夫CHARLES

1、.PAGE ：.；1 JULY 2005 VOL 309 SCIENCE Published by AAAS宇宙是由什麼所構(gòu)成的查爾斯席夫CHARLES SEIFE在黑暗中，黑暗物質(zhì)將銀河緊緊聚集在一同；超新星的觀測(cè)卻驗(yàn)證了另一股奧秘的黑暗能量。 宇宙論者總是一而再地為宇宙的奧秘與捉摸不定所牽引、困擾，甚至為它心神不寧。在15、16世紀(jì)，哥白尼、克卜勒和牛頓等人認(rèn)為地球只是眾多行星之一，圍繞地某個(gè)天體運(yùn)行，進(jìn)而推翻了中古世紀(jì)普遍認(rèn)為宇宙是一個(gè)封閉與微小的天文體系。1920年代，哈伯Edwin Hubble指出，我們的宇宙正在不斷地?cái)U(kuò)張。此艱苦發(fā)現(xiàn)動(dòng)搖了宇宙是永恆不變

2、的觀念。在過(guò)去幾十年來(lái)，宇宙論者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有構(gòu)成行星、銀河，甚至人類的物質(zhì)，還不及整體宇宙的5%。對(duì)於宇宙萬(wàn)物的新體認(rèn)，當(dāng)下的科學(xué)家正面臨著一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：宇宙是由什麼所構(gòu)成的？這個(gè)問(wèn)題源自於多年來(lái)觀察的怪異結(jié)果。1960年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系迴旋的速度過(guò)快以致於無(wú)法單以恆星的重力來(lái)防止其飛散。似乎有某種看不見(jiàn)的東西使得這些恆星不至於飛離中心。這就是所謂的黑暗物質(zhì)dark matter。多年來(lái)，科學(xué)家們辨識(shí)出宇宙中某些黑暗物質(zhì)。他們利用x射線望遠(yuǎn)鏡隱約看到了這些物質(zhì)以氣雲(yún)狀出現(xiàn)，或看到了黑暗物質(zhì)樣似遙遠(yuǎn)天體般閃爍劃過(guò)他們面前?？茖W(xué)家們也計(jì)算這些銀河中的無(wú)形物質(zhì)所呵斥的時(shí)空扭曲。多虧了有關(guān)太初氣雲(yún)

3、的豐富知識(shí)，物理學(xué)家認(rèn)為望遠(yuǎn)鏡僅能辨識(shí)出10的普通物質(zhì)。但是，就算將可辨識(shí)的普通物質(zhì)乘以10倍也缺乏以說(shuō)明宇宙是由什麼構(gòu)成的。當(dāng)天文學(xué)家利用功能強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡觀察天空，他們看到的只是宇宙的渾沌容顏。銀河並非規(guī)則地點(diǎn)綴著天空，而是以細(xì)薄的光絲和卷鬚交織在廣闊的天際。就正如那些能見(jiàn)物質(zhì)並缺乏以讓銀河以正常速度運(yùn)行，這些普通物質(zhì)也缺乏以說(shuō)明這奧秘的宇宙。現(xiàn)在，天文學(xué)家認(rèn)定，這些由另一種不明粒子所構(gòu)成的黑暗物質(zhì)，其引力必定與這浩瀚宇宙的結(jié)構(gòu)有著重要關(guān)係。他們估計(jì)，在宇宙的組成中，奧秘的黑暗物質(zhì)約佔(zhàn)25，是普通物質(zhì)的五倍之多。相較於黑暗物質(zhì)的奧秘，科學(xué)家對(duì)於另一個(gè)奧秘議題更具興趣：黑暗能量dark ene

4、rgy。1990年代末，那些研討遙遠(yuǎn)超新星的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙向外擴(kuò)張的速度並非如物理原理所預(yù)測(cè)的會(huì)緩慢下來(lái)，反而膨脹速度越來(lái)越快。能否有某些反重力antigravity的能量促使星系向外擴(kuò)張？一切跡象都顯示答案是一定的。關(guān)於各種天文現(xiàn)象的獨(dú)立觀測(cè)，涵蓋宇宙背景輻射cosmic background radiation、元素含量element abundances、銀河星團(tuán)galaxy clustering、重力透鏡(gravitational lensing)、氣雲(yún)特性gas cloud properties，都指向一個(gè)一致、卻異乎尋常的宇宙容顏。普通物質(zhì)和不明粒子僅構(gòu)成其中約30%，其他成分

5、就是這眾所皆知、充滿奧秘感的反重力黑暗能量。這表示，在回答宇宙是由什麼所構(gòu)成的？這個(gè)問(wèn)題前，必須先處理三組更為複雜的疑問(wèn)：第一組問(wèn)題為普通黑暗物質(zhì)是由什麼所構(gòu)成的？它存在於宇宙何處？然而，天體物理學(xué)有關(guān)大量物質(zhì)在星系間呵斥光線彎曲的相關(guān)觀測(cè)已經(jīng)提供了能夠的答案。第二個(gè)問(wèn)題則是何謂怪異的黑暗物質(zhì)(exotic dark matter)？科學(xué)家已有些頭緒，很幸運(yùn)的是，在未來(lái)十年內(nèi)，埋在地底深處的黑暗物質(zhì)阱a dark-matter trap或高能原子擊碎器atom smasher將有助於新型態(tài)粒子的發(fā)現(xiàn)。最後的這個(gè)問(wèn)題何謂黑暗能量？在過(guò)去十年不能夠被提出。這個(gè)問(wèn)題似乎超越了現(xiàn)有的物理知識(shí)，更甚於其

6、他未被觀測(cè)到的天文現(xiàn)象。透過(guò)超新星的觀測(cè)、宇宙背景輻射，以及重力透鏡的觀察可提供黑暗能量之狀態(tài)方程式equation of state的線索根本上，藉由此類觀測(cè)將可呈現(xiàn)出物質(zhì)的黏糊狀態(tài)。此刻，對(duì)於物理學(xué)研討來(lái)說(shuō)，黑暗能量的本質(zhì)仍是一大迷團(tuán)，這個(gè)疑問(wèn)一旦被解決，必將在天文學(xué)界燃起一道曙光。100個(gè)待解決的科學(xué)問(wèn)題 從宇宙到社會(huì)的本質(zhì)，下述100個(gè)問(wèn)題跨越了自然科學(xué)領(lǐng)域。其中，這些問(wèn)題能夠正如上文所探討的；或許問(wèn)題本身就是個(gè)艱苦議題。有些問(wèn)題將驅(qū)使科學(xué)家進(jìn)行更進(jìn)一步的科學(xué)探求，甚至問(wèn)題將延續(xù)到下個(gè)世紀(jì)；有些問(wèn)題能夠很快就會(huì)被解決。大部分的問(wèn)題無(wú)疑將衍生出更多的疑問(wèn)。我們的宇宙是獨(dú)一無(wú)二的嗎？ 某些量子理論學(xué)家及天文學(xué)家試圖釐清我們的宇宙能否僅是多重宇宙multiverse的一部份。但是，也有人認(rèn)為這種難以驗(yàn)證的想法應(yīng)該留給哲學(xué)家去煩惱。宇宙膨脹是什麼所呵