未来宇宙探索的九大方向

■ 王壮凌

近年来，物理学家综合最新的宇宙探测资料，包括宇宙微波背景、星系团、超新星等，得出惊人的推论：人类认知的宇宙，实际上只占宇宙全部物质及能量总和的5%以下，也就是暗物质及暗能量占宇宙整体的绝大部分。这一划时代的发现，使宇宙科学的探索进入新的里程。为此，美国国家科学基金会及能源部委由17位知名物理学家组成的顾问委员会，规划了未来宇宙科学探索的目标。该委员会最后提出了具体建议，将下列九个物理基本问题作为21世纪探索宇宙科学的主要方向。

尚未发现的自然界定律

过去30年来，凭借量子力学的理论及实验验证，物理学家已建立起颇为成功的物质基本粒子标准模型，得以更了解规范物质、能量、时间及空间的物理定律及基本粒子。量子理论虽能成功地描述物质基本粒子的微观部分，却未能适用于宏观的宇宙科学，因此必须导入新的作用力及粒子，才能克服应用上的问题。这似乎显示出，尚有其他自然界的定律没有被科学家发现，重力、暗物质、暗能量等也应用适合于量子理论的解说来支持，才能使物理定律体系更为完整。

人类急欲探索的自然界基本法则，有些在宇宙诞生后就隐蔽不见了，因此这些定律或法则不易被发现，其中之一可能就是被称为“超对称”的理论。就如同每一个基本粒子必有一个对应的反粒子，超对称理论预言每一种基本粒子也有一个超伴子与之相随。支持超对称理论成立的部分重要因素，是其可能与暗能量有关联，并且在这个理论架构下预期存在的中性伴子，也可能是暗物质的来源之一。

未来借由粒子加速器进行各种实验，就可以探索超伴子的结构及其基本性质，是粒子物理学的重要课题，也是验证超对称理论成立与否的直接挑战。这也将确立超对称理论在建构大统一力场理论时所扮演的角色，并确认中性伴子是否为构成暗物质的一种来源。

解开暗能量的奥秘

宇宙中充满的暗能量使宇宙得以持续加速膨胀，似乎应有一个能解释这种机制的量子理论做后盾。就目前所知，暗能量可能和提供物质质量的希格斯场有关。

美国于2001年发射的宇宙微波探测卫星（WM A P），主要的目的是观测宇宙诞生时就产生，并且至今仍被记录的微波辐射。由这个卫星收集到的资料，显示宇宙的时空几何形状是平面式的，宇宙年龄是137亿岁，构成宇宙的成分中，可见的物体（银河、星体等）只占4%，暗物质则占23%，其余73%全是暗能量。

这一探测结果与先前综合其他科学观测的推论极为吻合。事实上，早在1930年就有天体物理学家指出，爱因斯坦加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙：因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡，一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩。而暗能量的发现告诉我们，爱因斯坦作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在，而且大大扰动了我们的宇宙，使宇宙的膨胀速率严重失控。在经历了一系列的曲折后，宇宙常数正在时间中复活。

宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前，它所产生的汹涌澎湃的斥力已令整个宇宙为之变色！暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过，在这场漫长的战斗中，最举足轻重的就是彼此的密度。物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减；但暗能量的密度在宇宙膨胀时变化得非常缓慢，或者根本保持不变。在很久以前，物质的密度是较大的，因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段；现今的暗能量密度已经大于物质的密度，斥力已经从引力手中彻底夺得了“控制权”，以前所未有的速度推动宇宙膨胀。根据一些科学家的预测，再过200余亿年，宇宙将迎来动荡的末日，恐怖的暗能量最终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂，宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗。

暗能量的发现，也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”：即宇宙中所占比例最多的，反而是最迟也是最难为人类所知晓的。一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多，另一方面我们所要面对的未知也越来越多。而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相。

暗能量是怎么来的？它将如何发展？这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一。

更多维度的空间

弦论预测,除当前已知的四维时空外，尚有七维空间未被发现，因而使粒子物理显得较为复杂。如能证实这些额外的维度空间确实存在，将是人类历史上划时代的大事，除改变对宇宙起源及演化的了解外，也可能重塑我们对重力的固有观念。

弦论是假设所有已知的作用力及基本粒子都由单一的物件，即被称为“超弦”者，在处于不同振动态下表现出来的。因此，使爱因斯坦殷切期盼用来描述宇宙中小至极小的基本粒子、大至宇宙整体的“大统一论”，得以迈出重要的一步。弦论建构的精密数学推演，使微观的量子理论与宏观的宇宙学得以用一致的模式来表现。

超弦存在吗？它或许太小而难以直接观测，但可经由验证弦论所预测的若干事项来做判断。例如弦论包含了超对称理论，并预测有尚未发现的七维时空，因此要验证弦论的正确性，必须寻找额外的维度空间，并探索其性质，了解其维数、形状及大小，它们为何及如何隐匿起来，以及新的空间综合维度涉及哪些新的基本粒子等。

额外维度空间的物理效应取决于其大小及形状，以及何种物质及作用力可以进入该空间。虽然至今尚无法知道这些空间的大小，但似乎应与粒子物理的基本能量尺度有关，包括宇宙尺度、暗能量密度、以兆电子伏特计的电弱尺度或最终大统一理论的尺度。科学家固然可以由宇宙观测所发现的不一致性，或短期精密重力实验所得资料来推论额外维度的空间应属宏观尺度的规模，但这些额外维度空间也可能属微观尺度的规模。

基本作用力的来源

追本溯源，宇宙中所有的基本作用力及粒子都可能互有关联，并且所有的作用力可能源自单一的“大统一作用力”的各种不同表现。如经证实，则爱因斯坦生前期望的“大统一理论”将得以实现。

目前，量子理论已能用极相似的数学模式来描述重力以外的电磁力、弱力及强核力三种已知的大自然基本作用力。如经证实确有单一的“大统一力场”，则这力将建立起夸克和轻子的关联性，并可预测不同粒子间转换的途径。这个“大统一力场”最终可能会使质子衰变成稳定的其他物质。

“大统一力场”是否存在的重要线索，可能来自实验室中对极稀少的微小粒子的衰变侦测、其他罕见演变过程的观测以及对极高能粒子的精密测量。由于不知道线索会出现在何处，因此多方向的实验研究有其必要。

为何有众多的基本粒子

为何已发现的夸克及轻子都各有三组家族成员？为何各组相对应的成员间，彼此的质量差异颇大，但其他物理性质，如带电量、自旋等则相同？各粒子的功能、角色为何？宇宙中全部基本粒子共有几处？能否找出规则，把所有基本粒子依序排列，如同把化学元素排列成周期表一样？或许各种基本粒子只是超弦不同样态的表现，也或许各种粒子可借“大统一力场”或其他尚未明了的自然法则，来建立彼此的关联。

物理学家至今已确认了57种基本粒子，量子理论已证明：在粒子标准模型中，欲产生电荷宇称破坏，至少需要有三组粒子家族成员，而电荷宇称破坏是形成现今宇宙由正物质而非反物质居优势的必要条件。不过，至今科学家由观测宇宙现象所得的资料，尚不足以解释正物质胜过反物质的全貌。目前各项粒子物理的实验工作，集中于对已发现的各种基本粒子做更详细的探索研究，以了解其性质，并搜寻三组粒子家族间的差异。

暗物质究竟是何物

宇宙中的大部分物质属未知的暗物质，它可能是宇宙诞生时产生的各种重的粒子。这些粒子中的大部分在宇宙演化过程中和其反粒子结合而湮灭，从而转换成纯能量，只剩下少部分留存下来，构成现今宇宙中的暗物质。这些暗物质的粒子，质量应该不会太大，应该有机会通过实验室的高能加速器制造出来以供研究。

如无暗物质，宇宙的质量将不足以凝聚形成星系、银河，也就不会有生命的诞生。虽然在1930年就有人提出暗物质的说法，但直到近10年来，研究才有了更具体的进展。

近年来对宇宙构造的观测，证明暗物质不同于人类在实验室中曾发现、探索过的任何已知物质。新理论中的粒子，如超对称理论所预言的一系列超伴子，它们和其他一般物质间的相互作用非常微小，就可能是构成暗物质的粒子。目前的研究是借由置于地底下深处坑道中的侦测设备，来探测宇宙诞生后所残余的暗物质高能粒子，或利用实验室的高能粒子加速器制造可能的暗物质粒子，以探究其性质。

暗物质存在的佐证，最先是由观测宇宙星系团的旋转曲线，发现其质量大于该星系团星体质量的总和，而推论出来的。后来，从观测遥远太空中光受质量影响而产生偏移现象的所谓重力透镜效应，再度得到证明。最明确的证据则来自对宇宙微波背景的观测及分析，结果显示，已知的物质约占宇宙全部物质的不到5%。

神秘的中微子

中微子是所有已知基本粒子中最神秘的一种，它们在宇宙演化的过程中扮演着重要角色。它们的质量极微小，而与中微子相关的新物理领域研究却必须在极高能的范围才能进行。它们无所不在，却难以捉摸，且与其他粒子的相互作用极为微弱。人体每秒有数以兆计的中微子通过，却未留下任何痕迹。太阳内部的核聚变反应释放出耀眼的阳光及大量的中微子，核聚变只产生一种中微子，但在其抵达地球的途中，奇妙地演变成另两种中微子。

由于中微子的质量极微小，于是有人推论其质量应源自未知的物理规律，或许和统一力场有关。详细研究中微子的性质、质量和如何自一种演变成另一种，以及中微子是否就是其本身的反粒子等问题，将使我们明了中微子是否与一般物质的模型一致。或许，它将引领我们去发现新的物理现象。

宇宙的演化

在现代宇宙学理论中，宇宙是在一次大爆炸后，急速膨胀而产生的。在膨胀过程中，宇宙慢慢冷却，并经历数阶段的转变，陆续形成星体、银河系及地球上的生命。欲探究宇宙膨胀的过程及演变，必须突破对量子物理及量子重力未知领域的了解，借由太空望远镜及太空探测，搜寻宇宙诞生早期残留粒子的踪迹，以及利用先进的高能粒子加速器，重建并研究宇宙演变过程中基本粒子的物理性质，可增进人类对宇宙过去及未来演化的认识。科学的研究已确认宏观宇宙与微观基本粒子之间，有着密不可分的关联。

宇宙膨胀如果是源自一种暗能量，如同今日我们观测推论存在的暗能量一样，那么暗能量是由何种物质产生？这种形态的物质在统一力场中是否扮演一定的角色？它是否与额外维度空间有关联？更基本的问题是，在宇宙诞生时的大爆炸那一刻，空间和时间的性质可不可能有所改变？弦论能否顺利涵盖宇宙诞生时那个奇妙的起点？

对宇宙微波背景（CMB） 变动的探测，最新资料显示宇宙正加速膨胀中。进一步对宇宙微波背景极化的探测，有可能侦测到宇宙膨胀过程中所产生的重力波的踪迹，进而获得与宇宙膨胀有关的“场”性质的资讯。

在宇宙各阶段的演变中，有些粒子因冷却而产生变化，也可能产生有缺陷的演变，像各种样态的弦或异样的物质，这些将可用来解释诸如极高能宇宙射线、暗物质，甚至暗能量等。

反物质为何消失无踪

宇宙在大爆炸中诞生时，几可确定产生等量的正物质及反物质，但现今的宇宙似乎有绝对多的正物质存在，这种不对称的情形是如何演变成的？由实验得知，每种基本粒子都有其反粒子，但我们如今生活在一个正物质的宇宙中也是一个不争的事实。

宇宙演化早期，正反物质间可能已产生微量的不平衡，否则正反物质将完全抵消湮灭，转化成能量及中性的光子及中微子。在实验室中，曾观察到正反粒子间微量的不平衡，因此它应是造成今日正物质宇宙的原因。只是目前所知有限，尚难论断为何今日的宇宙由正物质占绝对优势？应该还有一些尚未被发现的，造成正、反物质截然不同结局的作用存在，我们或许可以从夸克或中微子中找到答案。正、反物质行为差异的缘由，可能和希格斯玻色子的性质、超对称或额外维度空间有关。

要自宇宙中消除反物质，必须有粒子的电荷宇称破坏，使反物质与正物质产生些微差异。实验物理学家于1964年发现中性K介子中有电荷宇称破坏的现象，2001年又发现B介子的电荷宇称破坏。但目前对电荷宇称破坏的了解仍嫌不足，有待进一步实验，以发现更多造成破坏的因素。