■ 王壯凌

近年來，物理學(xué)家綜合最新的宇宙探測資料，包括宇宙微波背景、星系團(tuán)、超新星等，得出驚人的推論：人類認(rèn)知的宇宙，實際上只占宇宙全部物質(zhì)及能量總和的5%以下，也就是暗物質(zhì)及暗能量占宇宙整體的絕大部分。這一劃時代的發(fā)現(xiàn)，使宇宙科學(xué)的探索進(jìn)入新的里程。為此，美國國家科學(xué)基金會及能源部委由17位知名物理學(xué)家組成的顧問委員會，規(guī)劃了未來宇宙科學(xué)探索的目標(biāo)。該委員會最后提出了具體建議，將下列九個物理基本問題作為21世紀(jì)探索宇宙科學(xué)的主要方向。

尚未發(fā)現(xiàn)的自然界定律

過去30年來，憑借量子力學(xué)的理論及實驗驗證，物理學(xué)家已建立起頗為成功的物質(zhì)基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型，得以更了解規(guī)范物質(zhì)、能量、時間及空間的物理定律及基本粒子。量子理論雖能成功地描述物質(zhì)基本粒子的微觀部分，卻未能適用于宏觀的宇宙科學(xué)，因此必須導(dǎo)入新的作用力及粒子，才能克服應(yīng)用上的問題。這似乎顯示出，尚有其他自然界的定律沒有被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，重力、暗物質(zhì)、暗能量等也應(yīng)用適合于量子理論的解說來支持，才能使物理定律體系更為完整。

人類急欲探索的自然界基本法則，有些在宇宙誕生后就隱蔽不見了，因此這些定律或法則不易被發(fā)現(xiàn)，其中之一可能就是被稱為“超對稱”的理論。就如同每一個基本粒子必有一個對應(yīng)的反粒子，超對稱理論預(yù)言每一種基本粒子也有一個超伴子與之相隨。支持超對稱理論成立的部分重要因素，是其可能與暗能量有關(guān)聯(lián)，并且在這個理論架構(gòu)下預(yù)期存在的中性伴子，也可能是暗物質(zhì)的來源之一。

未來借由粒子加速器進(jìn)行各種實驗，就可以探索超伴子的結(jié)構(gòu)及其基本性質(zhì)，是粒子物理學(xué)的重要課題，也是驗證超對稱理論成立與否的直接挑戰(zhàn)。這也將確立超對稱理論在建構(gòu)大統(tǒng)一力場理論時所扮演的角色，并確認(rèn)中性伴子是否為構(gòu)成暗物質(zhì)的一種來源。

解開暗能量的奧秘

宇宙中充滿的暗能量使宇宙得以持續(xù)加速膨脹，似乎應(yīng)有一個能解釋這種機(jī)制的量子理論做后盾。就目前所知，暗能量可能和提供物質(zhì)質(zhì)量的希格斯場有關(guān)。

美國于2001年發(fā)射的宇宙微波探測衛(wèi)星（WM A P），主要的目的是觀測宇宙誕生時就產(chǎn)生，并且至今仍被記錄的微波輻射。由這個衛(wèi)星收集到的資料，顯示宇宙的時空幾何形狀是平面式的，宇宙年齡是137億歲，構(gòu)成宇宙的成分中，可見的物體（銀河、星體等）只占4%，暗物質(zhì)則占23%，其余73%全是暗能量。

這一探測結(jié)果與先前綜合其他科學(xué)觀測的推論極為吻合。事實上，早在1930年就有天體物理學(xué)家指出，愛因斯坦加入了宇宙常數(shù)的宇宙學(xué)方程并不能導(dǎo)出完全靜態(tài)的宇宙：因為引力和宇宙常數(shù)是不穩(wěn)定的平衡，一個小小的擾動就能導(dǎo)致宇宙失控的膨脹和收縮。而暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴我們，愛因斯坦作為與引力相抗衡的宇宙常數(shù)不僅確確實實存在，而且大大擾動了我們的宇宙，使宇宙的膨脹速率嚴(yán)重失控。在經(jīng)歷了一系列的曲折后，宇宙常數(shù)正在時間中復(fù)活。

宇宙常數(shù)今日以暗能量的面目出現(xiàn)在世人面前，它所產(chǎn)生的洶涌澎湃的斥力已令整個宇宙為之變色！暗能量和引力之間的角力戰(zhàn)自宇宙誕生起就沒有停止過，在這場漫長的戰(zhàn)斗中，最舉足輕重的就是彼此的密度。物質(zhì)的密度隨著宇宙膨脹導(dǎo)致的空間增大而遞減；但暗能量的密度在宇宙膨脹時變化得非常緩慢，或者根本保持不變。在很久以前，物質(zhì)的密度是較大的，因此那時的宇宙是處于減速膨脹的階段；現(xiàn)今的暗能量密度已經(jīng)大于物質(zhì)的密度，斥力已經(jīng)從引力手中徹底奪得了“控制權(quán)”，以前所未有的速度推動宇宙膨脹。根據(jù)一些科學(xué)家的預(yù)測，再過200余億年，宇宙將迎來動蕩的末日，恐怖的暗能量最終將把所有的星系、恒星、行星一一撕裂，宇宙將只剩下沒有盡頭的寒冷、黑暗。

暗能量的發(fā)現(xiàn)，也充分地體現(xiàn)了人類認(rèn)知過程又走進(jìn)了一個“悖論怪圈”：即宇宙中所占比例最多的，反而是最遲也是最難為人類所知曉的。一方面人類現(xiàn)在對宇宙奧秘的了解越來越多，另一方面我們所要面對的未知也越來越多。而這日益深遠(yuǎn)的未知又反過來不斷刺激著人類去探索宇宙背后的真相。

暗能量是怎么來的？它將如何發(fā)展？這已經(jīng)是21世紀(jì)宇宙學(xué)所面臨的最重大問題之一。

更多維度的空間

弦論預(yù)測,除當(dāng)前已知的四維時空外，尚有七維空間未被發(fā)現(xiàn)，因而使粒子物理顯得較為復(fù)雜。如能證實這些額外的維度空間確實存在，將是人類歷史上劃時代的大事，除改變對宇宙起源及演化的了解外，也可能重塑我們對重力的固有觀念。

弦論是假設(shè)所有已知的作用力及基本粒子都由單一的物件，即被稱為“超弦”者，在處于不同振動態(tài)下表現(xiàn)出來的。因此，使愛因斯坦殷切期盼用來描述宇宙中小至極小的基本粒子、大至宇宙整體的“大統(tǒng)一論”，得以邁出重要的一步。弦論建構(gòu)的精密數(shù)學(xué)推演，使微觀的量子理論與宏觀的宇宙學(xué)得以用一致的模式來表現(xiàn)。

超弦存在嗎？它或許太小而難以直接觀測，但可經(jīng)由驗證弦論所預(yù)測的若干事項來做判斷。例如弦論包含了超對稱理論，并預(yù)測有尚未發(fā)現(xiàn)的七維時空，因此要驗證弦論的正確性，必須尋找額外的維度空間，并探索其性質(zhì)，了解其維數(shù)、形狀及大小，它們?yōu)楹渭叭绾坞[匿起來，以及新的空間綜合維度涉及哪些新的基本粒子等。

額外維度空間的物理效應(yīng)取決于其大小及形狀，以及何種物質(zhì)及作用力可以進(jìn)入該空間。雖然至今尚無法知道這些空間的大小，但似乎應(yīng)與粒子物理的基本能量尺度有關(guān)，包括宇宙尺度、暗能量密度、以兆電子伏特計的電弱尺度或最終大統(tǒng)一理論的尺度?？茖W(xué)家固然可以由宇宙觀測所發(fā)現(xiàn)的不一致性，或短期精密重力實驗所得資料來推論額外維度的空間應(yīng)屬宏觀尺度的規(guī)模，但這些額外維度空間也可能屬微觀尺度的規(guī)模。

基本作用力的來源

追本溯源，宇宙中所有的基本作用力及粒子都可能互有關(guān)聯(lián)，并且所有的作用力可能源自單一的“大統(tǒng)一作用力”的各種不同表現(xiàn)。如經(jīng)證實，則愛因斯坦生前期望的“大統(tǒng)一理論”將得以實現(xiàn)。

目前，量子理論已能用極相似的數(shù)學(xué)模式來描述重力以外的電磁力、弱力及強(qiáng)核力三種已知的大自然基本作用力。如經(jīng)證實確有單一的“大統(tǒng)一力場”，則這力將建立起夸克和輕子的關(guān)聯(lián)性，并可預(yù)測不同粒子間轉(zhuǎn)換的途徑。這個“大統(tǒng)一力場”最終可能會使質(zhì)子衰變成穩(wěn)定的其他物質(zhì)。

“大統(tǒng)一力場”是否存在的重要線索，可能來自實驗室中對極稀少的微小粒子的衰變偵測、其他罕見演變過程的觀測以及對極高能粒子的精密測量。由于不知道線索會出現(xiàn)在何處，因此多方向的實驗研究有其必要。

為何有眾多的基本粒子

為何已發(fā)現(xiàn)的夸克及輕子都各有三組家族成員？為何各組相對應(yīng)的成員間，彼此的質(zhì)量差異頗大，但其他物理性質(zhì)，如帶電量、自旋等則相同？各粒子的功能、角色為何？宇宙中全部基本粒子共有幾處？能否找出規(guī)則，把所有基本粒子依序排列，如同把化學(xué)元素排列成周期表一樣？或許各種基本粒子只是超弦不同樣態(tài)的表現(xiàn)，也或許各種粒子可借“大統(tǒng)一力場”或其他尚未明了的自然法則，來建立彼此的關(guān)聯(lián)。

物理學(xué)家至今已確認(rèn)了57種基本粒子，量子理論已證明：在粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中，欲產(chǎn)生電荷宇稱破壞，至少需要有三組粒子家族成員，而電荷宇稱破壞是形成現(xiàn)今宇宙由正物質(zhì)而非反物質(zhì)居優(yōu)勢的必要條件。不過，至今科學(xué)家由觀測宇宙現(xiàn)象所得的資料，尚不足以解釋正物質(zhì)勝過反物質(zhì)的全貌。目前各項粒子物理的實驗工作，集中于對已發(fā)現(xiàn)的各種基本粒子做更詳細(xì)的探索研究，以了解其性質(zhì)，并搜尋三組粒子家族間的差異。

暗物質(zhì)究竟是何物

宇宙中的大部分物質(zhì)屬未知的暗物質(zhì)，它可能是宇宙誕生時產(chǎn)生的各種重的粒子。這些粒子中的大部分在宇宙演化過程中和其反粒子結(jié)合而湮滅，從而轉(zhuǎn)換成純能量，只剩下少部分留存下來，構(gòu)成現(xiàn)今宇宙中的暗物質(zhì)。這些暗物質(zhì)的粒子，質(zhì)量應(yīng)該不會太大，應(yīng)該有機(jī)會通過實驗室的高能加速器制造出來以供研究。

如無暗物質(zhì)，宇宙的質(zhì)量將不足以凝聚形成星系、銀河，也就不會有生命的誕生。雖然在1930年就有人提出暗物質(zhì)的說法，但直到近10年來，研究才有了更具體的進(jìn)展。

近年來對宇宙構(gòu)造的觀測，證明暗物質(zhì)不同于人類在實驗室中曾發(fā)現(xiàn)、探索過的任何已知物質(zhì)。新理論中的粒子，如超對稱理論所預(yù)言的一系列超伴子，它們和其他一般物質(zhì)間的相互作用非常微小，就可能是構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。目前的研究是借由置于地底下深處坑道中的偵測設(shè)備，來探測宇宙誕生后所殘余的暗物質(zhì)高能粒子，或利用實驗室的高能粒子加速器制造可能的暗物質(zhì)粒子，以探究其性質(zhì)。

暗物質(zhì)存在的佐證，最先是由觀測宇宙星系團(tuán)的旋轉(zhuǎn)曲線，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量大于該星系團(tuán)星體質(zhì)量的總和，而推論出來的。后來，從觀測遙遠(yuǎn)太空中光受質(zhì)量影響而產(chǎn)生偏移現(xiàn)象的所謂重力透鏡效應(yīng)，再度得到證明。最明確的證據(jù)則來自對宇宙微波背景的觀測及分析，結(jié)果顯示，已知的物質(zhì)約占宇宙全部物質(zhì)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種，它們在宇宙演化的過程中扮演著重要角色。它們的質(zhì)量極微小，而與中微子相關(guān)的新物理領(lǐng)域研究卻必須在極高能的范圍才能進(jìn)行。它們無所不在，卻難以捉摸，且與其他粒子的相互作用極為微弱。人體每秒有數(shù)以兆計的中微子通過，卻未留下任何痕跡。太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)釋放出耀眼的陽光及大量的中微子，核聚變只產(chǎn)生一種中微子，但在其抵達(dá)地球的途中，奇妙地演變成另兩種中微子。

由于中微子的質(zhì)量極微小，于是有人推論其質(zhì)量應(yīng)源自未知的物理規(guī)律，或許和統(tǒng)一力場有關(guān)。詳細(xì)研究中微子的性質(zhì)、質(zhì)量和如何自一種演變成另一種，以及中微子是否就是其本身的反粒子等問題，將使我們明了中微子是否與一般物質(zhì)的模型一致?；蛟S，它將引領(lǐng)我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象。

宇宙的演化

在現(xiàn)代宇宙學(xué)理論中，宇宙是在一次大爆炸后，急速膨脹而產(chǎn)生的。在膨脹過程中，宇宙慢慢冷卻，并經(jīng)歷數(shù)階段的轉(zhuǎn)變，陸續(xù)形成星體、銀河系及地球上的生命。欲探究宇宙膨脹的過程及演變，必須突破對量子物理及量子重力未知領(lǐng)域的了解，借由太空望遠(yuǎn)鏡及太空探測，搜尋宇宙誕生早期殘留粒子的蹤跡，以及利用先進(jìn)的高能粒子加速器，重建并研究宇宙演變過程中基本粒子的物理性質(zhì)，可增進(jìn)人類對宇宙過去及未來演化的認(rèn)識?？茖W(xué)的研究已確認(rèn)宏觀宇宙與微觀基本粒子之間，有著密不可分的關(guān)聯(lián)。

宇宙膨脹如果是源自一種暗能量，如同今日我們觀測推論存在的暗能量一樣，那么暗能量是由何種物質(zhì)產(chǎn)生？這種形態(tài)的物質(zhì)在統(tǒng)一力場中是否扮演一定的角色？它是否與額外維度空間有關(guān)聯(lián)？更基本的問題是，在宇宙誕生時的大爆炸那一刻，空間和時間的性質(zhì)可不可能有所改變？弦論能否順利涵蓋宇宙誕生時那個奇妙的起點(diǎn)？

對宇宙微波背景（CMB） 變動的探測，最新資料顯示宇宙正加速膨脹中。進(jìn)一步對宇宙微波背景極化的探測，有可能偵測到宇宙膨脹過程中所產(chǎn)生的重力波的蹤跡，進(jìn)而獲得與宇宙膨脹有關(guān)的“場”性質(zhì)的資訊。

在宇宙各階段的演變中，有些粒子因冷卻而產(chǎn)生變化，也可能產(chǎn)生有缺陷的演變，像各種樣態(tài)的弦或異樣的物質(zhì)，這些將可用來解釋諸如極高能宇宙射線、暗物質(zhì)，甚至暗能量等。

反物質(zhì)為何消失無蹤

宇宙在大爆炸中誕生時，幾可確定產(chǎn)生等量的正物質(zhì)及反物質(zhì)，但現(xiàn)今的宇宙似乎有絕對多的正物質(zhì)存在，這種不對稱的情形是如何演變成的？由實驗得知，每種基本粒子都有其反粒子，但我們?nèi)缃裆钤谝粋€正物質(zhì)的宇宙中也是一個不爭的事實。

宇宙演化早期，正反物質(zhì)間可能已產(chǎn)生微量的不平衡，否則正反物質(zhì)將完全抵消湮滅，轉(zhuǎn)化成能量及中性的光子及中微子。在實驗室中，曾觀察到正反粒子間微量的不平衡，因此它應(yīng)是造成今日正物質(zhì)宇宙的原因。只是目前所知有限，尚難論斷為何今日的宇宙由正物質(zhì)占絕對優(yōu)勢？應(yīng)該還有一些尚未被發(fā)現(xiàn)的，造成正、反物質(zhì)截然不同結(jié)局的作用存在，我們或許可以從夸克或中微子中找到答案。正、反物質(zhì)行為差異的緣由，可能和希格斯玻色子的性質(zhì)、超對稱或額外維度空間有關(guān)。

要自宇宙中消除反物質(zhì)，必須有粒子的電荷宇稱破壞，使反物質(zhì)與正物質(zhì)產(chǎn)生些微差異。實驗物理學(xué)家于1964年發(fā)現(xiàn)中性K介子中有電荷宇稱破壞的現(xiàn)象，2001年又發(fā)現(xiàn)B介子的電荷宇稱破壞。但目前對電荷宇稱破壞的了解仍嫌不足，有待進(jìn)一步實驗，以發(fā)現(xiàn)更多造成破壞的因素。