为什么这个世纪将属于天体物理学?

作者: Ethan Siegel

来源: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/05/10/5-reasons-why-the-21st-century-will-be-the-best-one-ever-for-astrophysics/#19ecd0042a4f

发布日期: 2017-05-11

在过去的25年里,有五个令人惊喜的发现改变了我们对宇宙的认知,包括中微子质量的发现、宇宙加速膨胀的神秘能量、系外行星的确认、希格斯玻色子的发现以及引力波的探测。这些发现不仅推动了科学的前沿,还揭示了宇宙中许多未解之谜,如暗物质、重子产生过程、黑洞信息消失、宇宙暴胀的触发和量子引力理论的构建。随着科技的进步,特别是下一代望远镜的发展,天体物理学将继续为我们提供关于宇宙起源、构成和命运的重要线索。

在科学发展的进程中,总是会有傲慢自大的人认为科学已经走到了尽头,我们已经接近找到终极问题的答案了。在科学的发展中有许多这样的例子。当科学家认为牛顿力学就足以描述万物时,他们发现了光的波动性质。当麦克斯韦统一电磁学时,物理学家认为所有的秘密都已被揭开,然而很快就诞生了相对论和量子力学。而当质子、中子和电子被发现后,许多人认为物质的本质已经全被知晓,直到高能粒子物理学为我们带来了一系列的基本粒子。

如果我们能够从中学习到什么,那就是应该在自然面前保持谦逊。

在过去的25年里,有五个令人惊喜的发现改变了我们对宇宙的认知,而且每一个都具有潜力能够带来一场更大的革命。1. 中微子质量:太阳之所以会发光,是因为在它的核心内不断进行着核聚变反应,这个过程会释放出一种神秘的粒子,叫做中微子。可以说太阳是一个巨大的中微子工厂。根据粒子物理学的标准模型,中微子是没有质量的。

当科学家试图计算来自太阳的中微子的数量时,他们发现在实验设备观测到的太阳中微子数目只有理论预言值的三分之一。为什么?太阳中微子失踪之谜困扰着物理学家许久。直到近年来科学家发现太阳中微子本身从太阳穿行到地球的过程中发生了变化,它们会从一种类型转化为另一种类型,这被称为中微子振荡。而之所以会发生变化是因为中微子具有非常微小的质量!

2. 加速膨胀的宇宙:当我们回到宇宙热大爆炸的时候,它有两个至关重要的性质:初始膨胀率和初始的物质/辐射/能量密度。如果密度太高,宇宙将会重新坍缩;如果密度太低,那么宇宙就会永远膨胀下去。但是在我们这个宇宙中,密度和膨胀不仅仅完美的平衡,而且有一部分能量来自所谓的“暗能量”,即宇宙在诞生后的约80亿年,一种未知的神秘能量开始使宇宙加速膨胀,自那之后便一直持续至今。

3. 系外行星:几十年前,科学家认为在其它的恒星系统中也存在着行星,但并没有确凿的证据来支持这一想法。现在,科学家已经确认了上千颗系外行星的存在(大多数由NASA的开普勒卫星发现)。许多太阳系统都跟我们的不一样:一些包含了超级地球或者小海王星;一些在内太阳系就包含了气态巨星;一些在宜居地带包含了地球大小的世界,但是却围绕着昏暗的红矮星。然而,还有更多等待我们去发现。

4. 希格斯玻色子:几十年来,物理学家一直苦苦追寻粒子物理学的标准模型的最后一块拼图——希格斯玻色子,终于在几年前被发现。希格斯玻色子的质量约为126GeV/c²,在10^-24秒后就会发生衰变,并且拥有所有标准模型预言的衰变模式。到目前为止,希格斯玻色子的行为完全没有显示出任何超越标准模型的新物理,而这是一个很大的问题。5. 引力波:爱因斯坦在发表广义相对论的不久后就预言了引力波的存在。

在过去的一百年中,探测引力波的直接证据一直是天体物理学的圣杯。2015年,当激光干涉引力波天文台(LIGO)进行升级后,其灵敏度已经达到了能够探测到旋进和合并黑洞辐射出的引力波。不负众望,LIGO已经探测到了两次引力波的确凿证据,接下来将会探测到更多这样的事件。虽然探测到引力波已经是一次巨大的胜利,但更重要的是它为观测宇宙带来了全新的视野。

除了上面提到的五个,还有许多的未解之谜等待着我们去解释。比如占据了宇宙总质量80%的暗物质究竟是什么?重子产生过程的问题:尽管在所有反应中我们都看到了物质和反物质之间的完美对称性,但为什么宇宙充满了物质而不是反物质?落入黑洞的信息究竟去了哪里?是什么触发了宇宙暴胀的发生?如何构建一个成功的量子引力理论?

有许多人总是会忍不住的去思考最好的时代是否已经过去,以及我们已经做出了最重要和革命性的发现。但如果我们想要理解最最基本的大问题——宇宙从何而来,它是由什么构成的,它的最终命运是什么——我们还需要做出巨大的努力。随着下一代的望远镜(具有前所未有的大小、范围和灵敏度)即将上线,我们将在天体物理学中得到更多的启发。每一次的进步,都带领我们离真理更进一步。无论我们最终会发现什么,这个过程已经足以令人激动。

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