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我們在宇宙中的地位或將巨變?

2019-12-17 10:02:35  來源:新浪科技

北京時間12月17日消息,據國外媒體報道,1900年,著名物理學家開爾文勛爵在英國科學促進會上宣稱:“物理學界已經不會再有什么新發現了。”但這么說簡直大錯特錯。在接下來的一個世紀里,物理學發生了顛覆性的變化,大量理論和實驗發現徹底轉變了我們對宇宙的理解、以及對地球在宇宙中所處地位的認知。

而21世紀可能也會如此,宇宙仍有許多謎團尚未揭開,而在接下來的50年里,新技術將幫助我們不斷破解這些謎題。

第一個謎題涉及到我們存在的基礎。據物理學家估測,宇宙大爆炸在產生構成我們的這些物質的同時,也生成了相同數量的反物質。大多數物質粒子都有對應的反物質“孿生兄弟”,兩者特性完全相同,唯有所帶電荷相反。物質與反物質一旦相遇,就會在瞬間湮滅,雙方的能量都會在這一過程中轉化為光能。

但如今的宇宙幾乎完全是由普通物質構成的,那些反物質究竟去哪兒了呢?

與未來的新型對撞機相比,大型強子對撞機簡直不值一提。

與未來的新型對撞機相比,大型強子對撞機簡直不值一提。

大型強子對撞機(LHC)已經為我們提供了一些思路。這臺機器會讓質子以無法想象的高速相撞,產生較重的物質與反物質粒子,而這些粒子隨后又會衰變成更輕的粒子,其中有些便可能是我們從未發現過的新粒子。

這些實驗顯示,物質與反物質衰變的速度略有不同,這或許能在一定程度上解釋我們在自然界中觀察到的不對稱性。

問題在于,物理學家習慣與精確的數據打交道,但在大型強子對撞機中開展的實驗卻像用網球拍打乒乓球一樣,很難精確控制實驗走向。質子由各類較小粒子構成,當質子相互撞擊時,內部粒子便會四處噴撒出去,大大增加在一大堆碎片中發現新粒子的難度。這樣一來,科學家就很難精確測定這些粒子的特性、借此尋找揭開反物質失蹤之謎的線索。

但在接下來幾十年里,三臺新的對撞機將幫助我們扭轉局勢,其中最重要的一臺名叫未來環形對撞機(FCC)。該設備是一條位于日內瓦周邊的環形隧道,長約100公里,而大型強子對撞機的27公里隧道將成為這臺新對撞機的一條滑道,不過,在未來環形對撞機中相互碰撞的將不是質子,而是電子和它的反粒子——“正電子”,并且碰撞速度遠比大型強子對撞機快得多。

不同于質子,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,我們還可以調整兩者相撞的能量級,借此創造出特定的反物質粒子,并對它們的性質進行精確測定,特別是它們衰變的方式。

這些研究將揭開全新的物理學真相。也許反物質的失蹤與暗物質有關(暗物質占到了全宇宙物質的85%,但科學家目前還從未探測到過這類粒子),而無從尋覓的反物質與無處不在的暗物質也許又與宇宙發生大爆炸時的狀態有關,因此這些實驗將帶我們溯源追根、深入探索我們的起源。

我們不可能預測到這些對撞機實驗揭露的真相會如何改變我們的生活,但我們上一次用“超強放大鏡”觀察這個世界時,我們發現了亞原子粒子和量子力學。利用這些知識,我們的計算機、醫學和能源生產都發生了革命性的轉變。

我們會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函待解決,比方說,“我們是不是宇宙中唯一的智慧文明”這個老生常談的問題。雖然我們最近在火星上發現了液態水,但暫未找到任何顯示微生物存在的證據,而火星環境極其嚴苛艱苦,因此就算找到了這樣的證據,這些外星生物也一定極為原始。

到目前為止,我們對外星生命的搜尋始終一無所獲。但即將在2021年發射的詹姆斯·韋伯望遠鏡或將使我們搜索宜居行星的方式發生巨大變革。

圖為彩燈裝飾的詹姆斯·韋伯望遠鏡一比一模型。

圖為彩燈裝飾的詹姆斯·韋伯望遠鏡一比一模型。

之前的望遠鏡一般通過“凌日法”尋找地外行星,但詹姆斯·韋伯望遠鏡則不然。它利用日冕儀來遮擋恒星發出的、進入望遠鏡的光線(就像你伸出手遮擋刺眼的陽光一樣),因此可以直接觀測那些原本會被明亮光線所遮蔽的較小行星。

詹姆斯·韋伯望遠鏡不僅能探測新行星,還能判斷這些行星是否適合生命居住。恒星發出的光線進入行星大氣層后,特定波長的光線便會被吸收,在反射光譜中留下一些空缺。就像條形碼一樣,這些空缺的排列規律可以幫助科學家分析行星的大氣層成分。

而詹姆斯·韋伯望遠鏡能夠讀取這些“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,我們將針對性地開展太空任務,弄清這些目標行星上是否存在外星生命。

科學家認為,離地球不遠的木衛二便可能是太陽系中擁有生命的星球之一。盡管木衛二溫度低至零下220℃,但在木星的強大引力作用下,木衛二的地下水也許會不斷攪蕩、避免結冰,因此其中也許生活著微生物、甚至水生生物。

定于2025年發射的“歐羅巴快船”探測器(Europa Clipper)將證實木衛二上是否存在地下海洋,并為后續任務尋找合適的登陸地點。它還將對木衛二表面冰層中噴出的液態水展開觀察,分析其中是否存在有機物分子。

總而言之,關于宇宙的運作機制、以及我們在宇宙中所處的地位,仍有許多未解之謎尚未揭開。宇宙不會輕易吐露它的秘密,但在接下來50年間,宇宙在我們眼中一定會變得截然不同。(葉子)

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