十个让宇宙学家夜不能寐的问题 - 弧论坛

宇宙学家整天谈论大爆炸，但是他们其实根本不知道它是什么。曼彻斯特的天文学家Tim O'Brien教授说：“我们能够确定，早期的宇宙处于极热和致密的状态中。但是触发大爆炸的机制我们仍需要努力的去理解。”

2014年3月，天文学家宣布在北极的BICEP2已经找到了早期宇宙极速膨胀的证据——原初引力波的发现。观测结果验证了一个理论模型，即所谓的“暴涨理论”。不幸的是，在反复的查证下，我们还未来得及欢庆这巨大的胜利，结果表明观测到的信号其实是受到了空间尘埃的污染。

BICEP2结果的否定，对于另一个宇宙模型则是好消息，在Paul J.Steinhardt和Neil Turok提出的循环宇宙模型中，“大爆炸”并不是宇宙的开端，而是上一个宇宙塌缩的结果，我们的宇宙将持续膨胀，直到暗能量在某个时刻衰变，宇宙将不断重复这个过程，也就是所谓的循环宇宙。这个理论模型语言“大爆炸”所需要的能量是非常小的，跟今天的能量密度差不多，这样小的温度并不会产生原初引力波。

快速射线爆的发现让射电天文学家抓破了脑袋。这种神秘的电磁波只有少数的观测的记录，于2001年首次被探测到。这是一种持续时间极短的射电爆，其持续时间通常只有数毫秒，但是发射出的能量却跟太阳一个月辐射的能量差不多。

天文学家对快速射电爆在宇宙中的具体来源暂无头绪。于是提出了各式各样的理论来解释它的产生，包括恒星爆炸、蒸发的黑洞、甚至是外星信号。虽然有计算表明该射电爆每天至少发生1000次，但是我们仍然知之甚少。

伦敦学院大学的宇宙学家Andrew Pontzen博士说：“空间和时间的结合是上个世纪宇宙学成就的巅峰之作”。但问题是，没有人懂的时空连续性的本质。在爱因斯坦的广义相对伦中，时空本质上是连续或光滑的，物质的质量使得时空弯曲，而弯曲的时空告诉物质怎么运动。时空像是可延展的物质，天体就悬挂在其中，然而一些量子引力理论对此持有不同的看法。

它们认为时空在微观上并不是连续的，而是由大量极其微小的普朗克尺度大小的时空量子或粒子组成。这就好比海滩，如果从远处望过去，海滩显得很平滑，只有近看才发现原来它是由沙子堆砌而成的。这些时空粒子不断出现和消逝，将编织成时空。比如，因果集理论和圈量子引力理论都假定了时空“原子”的存在。

我们如何才能探测到时空“原子”的存在呢？来自遥远的巨大恒星爆炸，也就是伽玛射线爆或许能给我们一些启示。我们接收到伽马射线爆在空中传播中被“延时”了，这是因为受到时空“原子”的影响，较短波长的光会比长波长的光运行的慢一点。

然而，由于我们能观测到的事件太少，至今还无法确定或否定时空的量子本性。谜底仍在：什么是时空连续性？

月亮的起源对天文学家来说并不易理解。在1990年代末，行星地质学家认为他们最终把焦点集中在了一个答案上，称之为“大图示”（Big Splat）。该假说认为一颗火星大小的天体撞击了地球，残留的碎片形成了月球。而阿波罗宇航员从月球上带回来的岩石也证实了这一假说。

但是！更精确的测量显示，月球上的岩石与地球上的岩石并不是仅仅相似，而是完全一样！如果月球的诞生主要是由外来的天体撞击，那么这就不合常理了。尽管如此，来自公开大学的David Rothery教授解释道：“大图示目前任然是最好的假说，因为其他的假说基本上都站不住脚。”

最近，研究人员设想是否有可能撞击的天体比预想的小，从而在撞击的时候嵌入了地球，从地球迸发出的岩石进而形成了月球。

目前，天文学家研究的星系对象中，几乎所有星系的旋转都比理论预想的要快。这就暗示了，在星系间肯定有其他的质量来源不能直接被探测到，否则星系将分崩离析。瑞士的天体物理学家弗瑞兹.茨威基于1933年在学习这些深不可测的星系运动时，经过严密的计算发现，星系间的可见总质量所能产生的引力强度不足以让整个星系聚集在一起。于是他提出了一项在当时看来惊世骇俗的主张，他宣称宇宙的绝大部分应当是由某种完全不同的物质组成的，即“暗物质”。

但是他疯狂的想法一直被遗忘，直到1970年代，天文学家发现越来越多的星系都转的太快了。那时才意识到弗瑞兹.茨威基的想法是对的，这些暗物质并不是由普通原子组成的，否则应该早已被观测到。粒子物理学家提出了一个可行的方案，自然界这些隐秘的暗物质虽然不能被看见，但是它们仍然能与普通物质有引力作用。

欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）不久前经过了一系列的维护和升级已经重新启动。物理学家Pontzen解释到：我们正在进行一系列可行的实验在紧锣密鼓的搜寻者暗物质的踪迹，其中的一个目标便是：中轻微子。这是目前暗物质假想中最好的候选者，如果CERN没有找到它，那么我们将要重新开始思考。或许我们应该修正现有的引力理论，比如“修正的牛顿引力理论”。

很多科学家都希望我们能有一个更好的新理论来描述宇宙中的最强引力场。也有一小个群体认为该新理论也应该可以解释弱引力场。基于这样的想法，以色列物理学家Mordehai Milgrom于1980年代提出了“修正的牛顿引力理论”（MOND）。他在牛顿的万有理论做了一点数学修正，从而可以解释一个旋转的星系并不需要暗物质的存在。但是并没有人清楚的知道为什么该修正必须存在。

ESA研制的激光干涉仪空间天线（LISA）探测器任务或许可以在暗物质和MOND之间做一个抉择。该探测器是设计来研究空间中的引力。该探测器很快就会被发射至太阳和地球之间的区域来探测MOND的正确性。LISA拥有足够的灵敏度探测弱引力是服从牛顿引力定律或者是Milgrom’s的所做的修正。如果牛顿引力正确，那么可以肯定暗物质的存在。如果Milgrom是对的，那么，他就有机会拿下诺贝尔奖。

△ 开普勒22b，NASA确认的首颗位于宜居带的系外星系。它围绕着一颗与太阳非常相似的恒星公转。（© NASA）

在我们寻找宇宙中适合人类居住的星球时，我们首先必须清楚的知道一个星球需要什么条件才可以支持生命的存在及延续。这并非想象的简单，不过有一些因素决定了一个行星是否宜居。

天文学家时常谈论的宜居地带是指：，在一颗恒星周围的一定距离范围内，行星必须获得足够的温度，并且在行星表面有水的存在。但是，从木卫二我们知道，这样的想法太简单了。

很清楚的，我们需要有足够的能量来源和营养素，这样水或者其它的溶剂才能发生生物化学反应。就我们了解的生命体而言，这意味着我们必须寻找任何地方拥有丰富的水和阳光。

但是，或许也存在其它的生物化学过程。一个主流的理论天体生物学研究方向是：鉴定其它生命路线的可能性。这样的研究或许能改变我们对宜居带的重新思考。

我们确定黑洞的存在，尽管我们从没有见过。黑洞是宇宙中奇异的天体，极高的密度使其拥有压倒性的引力。一旦穿过了黑洞的界限——视界，任何能量都无法使你从黑洞中逃脱。甚至连光都无法逃脱，这就是为何将其称之为“黑洞”。通常他们也非常小，这就意味着他们极不容易被发觉。假如一个地球能够形成一个黑洞，那它将被压缩成直径一厘米的小球。

然而，黑洞真正的神秘之处在于黑洞内部到底有什么。在物理上，没有什么能阻止物质塌缩成越来越密集的物体，直至塌缩成一个体积为零却拥有无限密度的点，也就是所谓的奇点。但是在数学上，一个奇点似乎是不可能存在。就像O'Brien说的：“我很难相信自然界中有奇点的存在。”

现今物理学的两大支柱，相对论和量子力学，在面对这样的难题时毫无办法。更糟的是，在处理黑洞的问题上，两者还互相对立不能协调。物理学家正努力的构建一个“量子引力”，我们已经有了一些候选理论，但都没有被验证。

Europa（木卫二）是伽利略1610年发现的木星四大卫星之一。在那个时候，这个发现引起了巨大的轰动，人们对木星系统充满了好奇。但是直到1970年代，当科学家开阔了太空探测，我们才得以窥见Europa秘密的曙光。

木卫二邻近的一颗卫星，Io，饱受了巨大的火山喷发，并不断地将含硫酸的岩浆抛射进太空。这样的火山激烈活动能够得以持续主要是因为一场激烈的引力拔河赛，一边被木星的引力吸引，另一边被其他的卫星拉住。而在Europa，这些力的作用就没有那么严重。他们不能引发火山作用，但是他们可以保证卫星内部足够的暖和，从而融化大部分的冰。Europa上的海洋总量比地球的海洋多了两到三倍。

在地球上，有一个理论宣称生命或许是在黑暗海底靠近热液喷口的地方开始，因热液喷出时形式“黑烟”，因此该高温热液活动区被称之为“黑烟囱”。海底热液会带出大量的硫化物，遇水冷却后形成巨大的“黑烟囱”。水携带的可溶性化学物会提供营养给生态系统中的微生物。那么同样的情形是否也会发生在Europa上？

来自公开大学的行星科学家David Rothery教授说：“Europa是一个极具潜力存在生命的地方，它有我们所需要的一切。”

NASA的Europa快艇探测计划将决定Europa是否拥有存在生命的条件。目前我们还不知道确切的发射时间，但是预计会在2020年代。在2012年，哈勃空间望远镜发现了卫星的南极有水蒸气，这意味着冰很薄或者有裂缝的存在，这样在下层面的水就有机会逃逸。行星地质学家发现Eruopa上有裂缝的痕迹，因为引力正在发生作用。这对Euopa快艇是个好消息，该探测器可以直接在表面取水的样本，或许还能发现生命的证据？

一旦探测器着陆Europa，将比在火星上更容易发现生命。这是因为在海洋内生长的微生物可以通过海流转送到冰壳底下，通过裂缝的喷发可以将这些微生物带到表面。如果计划顺利能够探测到生命的痕迹，那么下一个任务就是着陆在结冰的表面并且对海底进行探索。

当你要罗列一系列未知的宇宙难题时，无疑排在最前面的应属暗物质。暗物质是当前宇宙中最神秘的存在，我们根本不知道它是什么。

1929年，美国天文学家埃德温哈勃确定了遥远的星系正在离我们远去。比利时天文学家Georges Lemaitre在1927年在计算了宇宙的膨胀率时，预言了这样的行为。有点不公的，这个发现最终被称为了“哈勃常数”，不过这样的事情在科学家大有例子。

1990年代，两个国际研究小组互相竞争，测量可见宇宙在大尺度上的膨胀率，这有助于我们理解宇宙最终的命运：宇宙是否会一直膨胀下去，或者在某一个阶段停止膨胀往回拉，形成灾难性的“大塌缩”。

似乎显而易见的宇宙的膨胀应该会减速，因为物质产生的引力应该会抵抗宇宙的膨胀。然后，两个团队发现的结果却完全相反，膨胀在加速！进一步的研究表明该加速发生在70亿年前，在宇宙年龄一半的时候。

这就好像是一种没有被探测到的反引力物质统治着宇宙的行为，是它在不断地把时空膨胀加速。他们把这种东西叫做“暗能量”，占据了宇宙中70%的能量和物质。直至目前，科学家对于暗能量仍是毫无线索，要像揭开暗能量的面纱仍是一件非常困难的事情。

有两种可能性：它要么是一种能量，要么是自然界中的一种基本力。如果是能量，那么它应该显示出一种与其它能量形式完全不同的性质。有些人称之为负能量，因为它没有产生引力而是产生了反引力。如果是一种力，通常被称之为“第五元素”，它非常的弱。但是在广袤的空间中，它可以积聚并加速空间膨胀。

为了辨别这两种可能性，ESA正在建造一个空间望远镜称之为“欧几里得”。预计2020年发射，欧几里得的巡天范围包含了100亿光年内的所有星系，对这些星系距离的精确测量可以绘制宇宙扩张图，以此获取更多暗能量是如何在宇宙扩张中作用。