爱因斯坦和超越他：谁是空间科学的开拓者？

■候涛

科学家正在研究遥远星系中的黑洞，工程师正为探索难以到达的行星设计机器人仪器，教室里也在解释宇宙的奥秘，小学生则对地球以外的任何地方是否存在生命感到困惑。所有这些人都是未来空间科学的开拓者，他们因为探索和了解我们的太阳系以及对宇宙的追求联系在一起。现在，我们将向您一一介绍美国航空航天局的空间科学开拓者们，他们有老有少，有着不同的背景与兴趣。

爱因坦斯接受了美国国籍

提名一位空间科学开拓者！他是所有时代中一位最伟大的空间科学开拓者！虽然他的大部分发现早于第一颗人造卫星进入太空50余年，早于人类在月球漫步60余年，早于第一架航天飞机升空70余年。我们来想象一下，一个世纪前，阿尔伯特·爱因斯坦开始创造他的相对论，我们从而能够使用这一概念去理解空间、时间和重力。1905年将永远被视为爱因斯坦的“奇迹年”，这位当时只有26岁的年轻人改变了我们看待空间、时间、物质、能量和宇宙的方式。爱因斯坦关于光速、物体相对运动、重力的影响以及能量同质量之间关系的理论，最终引出有关宇宙如何起源的大爆炸理论和一些新概念（例如黑洞和暗能量）。

尽管爱因斯坦的一些最重要的成果直到1915年才出现，但美国航空航天局和其他组织为了纪念爱因斯坦创新性研究的100周年，于2005年举办了整整一年时间的庆祝活动，被称为“爱因斯坦百年纪念”。他的研究成果对科学和社会的影响无疑将持续未来多个世纪。

大多今天正处于进行中的尖端空间科学是爱因斯坦成果的延伸物。例如，在美国航空航天局进行的名为“超越爱因斯坦”的研究项目中，科学家运用他们的才智和美国航空航天局提供的器具来搜索三个重要问题的答案：是什么动力引发了宇宙大爆炸？什么是暗能量？在黑洞的边缘会发生什么事？

关于宇宙如何起源有不同的理论，爱因斯坦自己没有设想出大爆炸理论（这一理论认为宇宙由一个具有密集能量的微点爆炸而成，并从那时起一直处于扩张状态）。但正是爱因斯坦的数学方程描绘了质量、能量、重力和宇宙的其他方面如何相互影响，科学家稍后才支持这样的解释。

约翰·霍普金斯大学教授查尔斯·贝内特领导着科学家进行美国航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器项目。在这个以太空为基地的强大望远镜的帮助下，该项目展现出了宇宙在130余亿年前的“婴儿期画面”，那时离宇宙大爆炸发生不超过10亿年。贝内特表示，今天的研究人员必须继续问问题和思考条条框框（就如同爱因斯坦所做的那样），来计算出什么会引发大爆炸。贝内特现在聚焦于确定宇宙如何有可能从大爆炸开始阶段演变成现在我们看到的状态。他说：“爱因斯坦极度信奉实验和观测，这二者既能引导，又能检验理论。他始终保持着对事物的敏锐眼光，尽管很多完全不合乎情理。他问自己如何能用有创意的新思路解决这些问题。”

新思路是芝加哥大学教授肖恩·卡罗尔现在所关注的，他的工作任务是设想出某些方式，即神秘的、尚未被看到的、被称为暗物质的力量如何可以造成宇宙扩大的速度越来越快。这听起来很具有挑战性，而在知道宇宙正在扩张之前，想象一下预期这股力量的难度吧！那就是爱因斯坦曾经做过的。

爱因斯坦方程中的宇宙需要扩张或收缩，但是，在那个时代，他和其他人都认为上述点宇宙都没有在做。所以，爱因斯坦将他所称的“宇宙学常数”添加到他的方程式中。然而，当后来证实宇宙确实在膨胀后，他迅速抛弃了这一术语。爱因斯坦称这整个概念是他“最大的失误”。但从现在看来，爱因斯坦毕竟意识到了某些东西。

二项新的研究（利用星系团观察、研究宇宙尺度上的引力特性），将爱因斯坦广义相对论用于前所未有的实验。利用美国航空航天局观测卫星数据得出的结果表明，爱因斯坦理论仍是目前最佳的理论。这样的研究，对于理解宇宙的演化（无论是过去还是未来）以及探索暗能量（科学的最大谜团之一）的特性，都有着十分重大的意义。这幅Abell3376星系团的合成图像表明，观测卫星和罗斯特望远镜得出的X射线数据呈金黄色，数字化巡天得出的光学图像呈红色、绿色和蓝色，而射电望远镜巨阵得出的射电影像呈蓝色。X射线数据子弹一样的外观是由右侧流入这个星系团的物质合并造成的，影像左侧巨大的射电弧可能是由这个合并产生的冲击波造成的。过去的星系团卫星观测表明，暗能量在过去50亿年中，抑制了这些巨大结构的发展。同时，这些观测还为暗能量的存在提供了独立的证据。而暗能量，则可为宇宙距离的测量另辟蹊径

科学家近来发现，宇宙不仅仅是在膨胀，它还在加速扩张。有一种方式能解释这种加速，那就是存在类似爱因斯坦起先的“宇宙学常数”中所提出的一种力量。

当卡罗尔冥思苦想什么是暗能量及它来自哪里时，他效仿着他所认同的爱因斯坦最优秀的品质。卡罗尔发展了新的理论，并提议如何测试它们。他说：“爱因斯坦学习了差不多所有已知事物，在那个时代，他对新的做事方式保持着虚心。”爱因斯坦本人并不相信黑洞，但他的其他理论竟能预测到黑洞，可以肯定的是，那无疑是用开放的心态在设想黑洞的存在。

科罗拉多大学教授米奇伯·格尔曼研究了黑洞的构成以及它们如何影响星系。在太空中，这一区域的引力是如此之强，以致光都无法逃脱。他说，他期望从现在开始的大约10年内美国航空航天局能发起二个任务：激光干涉空间天线将利用激光技术来帮助科学家更好地理解中等大小的黑洞如何合并形成大的黑洞；与此同时，携带四部X射线望远镜的“X星座”空间天文台将在物质被吸入黑洞之前测量它们释放出来的辐射。无论是研究黑洞还是研究其他怪异现象，格尔曼都通过借鉴爱因斯坦的工作态度来进行他的研究。格尔曼认真地说：“他能够采取一种假说，并采用其符合逻辑的结论，不管这一假说如何违反直觉。当我思考一个奇怪的天体物理对象时，我试图记起这个，而司空见惯的想法只能使你局限起来。”

当格尔曼和其他科学家寻求关于早期宇宙、暗能量及黑洞等一系列问题的答案时，他们用同一种方式看待爱因斯坦的理论，如同以前爱因斯坦看待别的那些理论一样。他们使用这些理论来解释我们的宇宙中存在的尽可能多的神秘现象，但同时也保留了修改这些理论的权力，以此作为发展全新理论的基石。

谁能知道？也许某一天有人会构想出一整套全新的理论，这些理论甚至是爱因斯坦都从未想到过的。那个人甚至可以是你，虽然也许不是在一年之内。

想象一下，这幅宇宙的“婴儿期画面”显示了超过130亿年前温度的微小变化，那离宇宙大爆炸发生后不久。科学家在对整个天空为期12个月的全面观测期中，使用美国航空航天局的威尔金森微波各向异性探测器捕获了这一画面