关于宇宙的5大未解之谜

从发现引力波到找到离我们最近的类地行星邻居，2016年是天文学的有标志性的一年。天文学和宇宙学中许多的谜题都得到了解决。

以宇宙的年龄为例。一个世纪以前，我们只能说宇宙非常古老。没有办法找到一个精确的数字。现在，由于详细的地图显示了大爆炸的微弱回声——天文学家称之为“宇宙微波背景”——因此我们知道宇宙有138.2亿年的历史，误差1000万年。这是“精确宇宙学”的惊人成就。

关于宇宙的所有问题，我们并没有全部解决。尽管世界各地的天文台和粒子物理实验提供了大量数据，天文学家和物理学家也花费数小时在黑板或计算机上进行模拟，但一些宇宙问题仍然让科学家们夜不能寐。

1. 什么是暗物质?

在意大利中部亚平宁山脉深处的格兰萨索地下实验室，科学家们正密切关注着一个装满3.5吨液态氙的巨大储罐。他们希望的是，来自深空的外来粒子会穿过这种液体，发出一种明显的信号。到目前为止，这种情况还没有发生。但为了寻找所谓“暗物质”的科学家们已经学会了耐心。

近一个世纪以来，研究遥远星系的天文学家首次注意到一些奇怪的现象:星系中似乎含有比可见物质(如恒星和气体云)更多的物质。这种缺失的物质被称为暗物质，现在被认为构成了可见宇宙总质量和能量的四分之一以上。

这是什么东西?最好的猜测是，它是由某种快速移动的粒子组成的，这种粒子几乎不与构成恒星和行星的普通物质相互作用。从理论上讲，这些“弱相互作用”的粒子可以畅通无阻地穿过数英里的普通物质。

但几十年来，科学家们一直在寻找这些奇异的粒子，但一直没有进展。因此，一些人开始怀疑暗物质是否存在。相反，他们的推理是，爱因斯坦的引力理论可能需要一些调整。近年来，人们提出了许多关于引力的理论，但都存在争议。因此，粒子探索仍在继续。

多伦多大学的物理学家罗伯托·亚伯拉罕说:“如果能知道暗物质粒子是什么，甚至能确信它是一个粒子，那就太好了。”“我认为这是最有可能的事情，但我对我们需要改变重力的可能性持开放态度。”

2. 什么是暗能量?

在1990年，通过哈勃太空望远镜的数据显示，遥远的星系不仅在远离我们的家园银河系，而且还在以加速的速度远离我们。这是一个巨大的发现，从那以后科学家们一直在努力解释。是什么神秘的力量给了星系这种额外的推力?没人知道。但它被称为“暗能量”，就像暗物质一样，爱因斯坦是这个故事的关键人物。

在20世纪早期，科学家们认为宇宙是静态的——星系与邻近星系之间的距离保持不变。但广义相对论的方程似乎表明，宇宙要么在膨胀，要么在收缩。这对爱因斯坦来说毫无意义，所以他给了他的理论一个模糊的因素，他称之为“宇宙常数”。几年后，当天文学家发现宇宙正在膨胀时，似乎不再需要模糊因素了。

无论其真实性质如何，暗能量在宇宙演化中扮演的角色甚至比暗物质更重要。我们最好的预测是，暗能量占可见宇宙总能量的三分之二以上。总而言之，暗物质和暗能量是一个巨大的谜团。

3. 大爆炸之前是什么?

每当一位宇宙学家做公开演讲时，总会有人举手问:“是的，但是在大爆炸之前是什么呢?”凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的物理学家Glenn Starkman说:“我们应该给出一个教科书式的答案。”“我们认为这个问题毫无意义，就像问南极以南是什么一样毫无意义。”

这个想法是这样的：如果时间本身始于大爆炸，那么问在此之前发生了什么就没有意义了。根本就没有“以前”。然而斯塔克曼知道，几乎没有人认可这个答案。

我们现在有一个模型来描述大爆炸后不久发生的事情。在宇宙存在的最初几分之一秒内，“暴胀”模型认为，宇宙像气球一样膨胀，一次又一次地翻倍，然后减速到“正常”膨胀速度。但是，如果我们试图回溯到暴胀之前——一直回到“时间零”——广义相对论就会失效。

一些物理学家现在认为，时间并非始于大爆炸，而是在宇宙达到一定复杂程度时以某种方式出现的。另一些理论认为，宇宙在循环中运行，在可能无穷无尽的一系列膨胀和收缩中运行。如果这个“循环”模型是正确的，那么大爆炸就不是开始，而只是从早期时代的过渡。另一种可能性是，我们的宇宙只是在“多元宇宙”中反复出现的无数“泡沫宇宙”中的一个。

我们是否更接近于回答上一代人所面临的“以前发生了什么”的问题?斯塔克曼说不行。目前还不清楚天文观测能否解决这个问题。我们最好的办法可能是在太空中建造一个巨大的引力波探测器——希望我们能探测到大爆炸本身产生的引力波。

4. 黑洞里面有什么?

黑洞是空间的一个区域，其中的引力会产生巨大的拉力，以至于任何东西——包括光或任何其他形式的信号——都无法逃脱。因为没有任何东西可以出来，就好像每个黑洞的内部都永远与宇宙的其他部分隔绝了。

斯塔克曼说:“我们不知道黑洞内部发生了什么——除非我们愿意跳进其中。”即便如此，你也没有办法出去告诉任何人你的发现——甚至无法发个信息。

1970年，物理学家斯蒂芬·霍金和已故的雅各布·贝肯斯坦证明，黑洞会发出一种辐射，并在此过程中缓慢地“蒸发”。但是，黑洞的蒸发似乎违反了量子力学的规则，这意味着有些东西必须让位。(它们涉及“量子信息”的损失;物理学家称之为“信息悖论”。)

物理学家提出了各种各样的想法来解释这个谜题。所有这些都是有争议的。真正的问题是，在“事件视界”——黑洞的外部边界——广义相对论和量子力学都开始发挥作用。至少到目前为止，这两种理论是不可调和的。

我们最好的办法可能是研究视界外的区域。这就是被称为事件视界望远镜的射电望远镜阵列的作用。EHT是世界上几十个望远镜的一种电子连接——从加利福尼亚、亚利桑那、夏威夷到智利、西班牙和南极洲。

增强版的EHT将很快开始收集数据。它的第一个目标将是我们银河系中心的一个“超大质量”黑洞。天文学家希望EHT能够提供气体和尘埃在穿过黑洞视界之前的最后时刻所发出的辐射的详细图像——也许会对黑洞视界的奇异物理现象有所启发。

5. 我们是孤独的吗?

我们是宇宙中唯一的智能生物吗?也想知道是否有其他有思想的生物?

我们的星系包含数千亿颗恒星，其中许多恒星可能有行星围绕它们运行，天文学家相信在可见的宇宙中至少有一万亿星系。考虑到可能有大量的行星，我们似乎不太可能是宇宙中唯一的存在。因此，世界各地的科学家开始了他们所谓的SETI，即寻找外星智慧。

Seth Shostak是旧金山附近SETI研究所的资深天文学家，他怀疑ET就在某处。他指出，美国宇航局开普勒太空天文台收集的数据表明，每五颗行星中就有一颗适合居住。如果这是正确的，宇宙可能包含10²¹(即10亿万亿)颗可居住的行星。

但是，即使宇宙中有很多生命，那么存在智慧生命吗?到目前为止，SETI的科学家们一无所获，即使他们多年来一直在扫描天空，寻找可能表明有生命存在的无线电信号。肖斯塔克指出，到目前为止，我们的射电望远镜只瞄准了几千颗恒星，因此现在下结论还为时过早。

最近在德国举行的一次会议上，肖斯塔克和与会的科学家打赌说，我们会在24年内发现外星信号。到那时，由于更有效的搜索技术，我们可能已经检查了一百万个恒星系统。与此同时，我们的射电望远镜将继续监听宇宙，世界各地的天文学家都在等待和倾听，期待有新的进展。