北京時間12月17日消息，據(jù)國外媒體報道，1900年，著名物理學(xué)家開爾文勛爵在英國科學(xué)促進會上宣稱：“物理學(xué)界已經(jīng)不會再有什么新發(fā)現(xiàn)了?！钡@么說簡直大錯特錯。在接下來的一個世紀里，物理學(xué)發(fā)生了顛覆性的變化，大量理論和實驗發(fā)現(xiàn)徹底轉(zhuǎn)變了我們對宇宙的理解、以及對地球在宇宙中所處地位的認知。
而21世紀可能也會如此，宇宙仍有許多謎團尚未揭開，而在接下來的50年里，新技術(shù)將幫助我們不斷破解這些謎題。
第一個謎題涉及到我們存在的基礎(chǔ)。據(jù)物理學(xué)家估測，宇宙大爆炸在產(chǎn)生構(gòu)成我們的這些物質(zhì)的同時，也生成了相同數(shù)量的反物質(zhì)。大多數(shù)物質(zhì)粒子都有對應(yīng)的反物質(zhì)“孿生兄弟”，兩者特性完全相同，唯有所帶電荷相反。物質(zhì)與反物質(zhì)一旦相遇，就會在瞬間湮滅，雙方的能量都會在這一過程中轉(zhuǎn)化為光能。
但如今的宇宙幾乎完全是由普通物質(zhì)構(gòu)成的，那些反物質(zhì)究竟去哪兒了呢？
與未來的新型對撞機相比，大型強子對撞機簡直不值一提。
大型強子對撞機（LHC）已經(jīng)為我們提供了一些思路。這臺機器會讓質(zhì)子以無法想象的高速相撞，產(chǎn)生較重的物質(zhì)與反物質(zhì)粒子，而這些粒子隨后又會衰變成更輕的粒子，其中有些便可能是我們從未發(fā)現(xiàn)過的新粒子。
這些實驗顯示，物質(zhì)與反物質(zhì)衰變的速度略有不同，這或許能在一定程度上解釋我們在自然界中觀察到的不對稱性。
問題在于，物理學(xué)家習(xí)慣與精確的數(shù)據(jù)打交道，但在大型強子對撞機中開展的實驗卻像用網(wǎng)球拍打乒乓球一樣，很難精確控制實驗走向。質(zhì)子由各類較小粒子構(gòu)成，當質(zhì)子相互撞擊時，內(nèi)部粒子便會四處噴撒出去，大大增加在一大堆碎片中發(fā)現(xiàn)新粒子的難度。這樣一來，科學(xué)家就很難精確測定這些粒子的特性、借此尋找揭開反物質(zhì)失蹤之謎的線索。
但在接下來幾十年里，三臺新的對撞機將幫助我們扭轉(zhuǎn)局勢，其中最重要的一臺名叫未來環(huán)形對撞機（FCC）。該設(shè)備是一條位于日內(nèi)瓦周邊的環(huán)形隧道，長約100公里，而大型強子對撞機的27公里隧道將成為這臺新對撞機的一條滑道，不過，在未來環(huán)形對撞機中相互碰撞的將不是質(zhì)子，而是電子和它的反粒子——“正電子”，并且碰撞速度遠比大型強子對撞機快得多。
不同于質(zhì)子，電子與正電子是不可分割的，因此我們很清楚究竟有哪些粒子參與了碰撞，我們還可以調(diào)整兩者相撞的能量級，借此創(chuàng)造出特定的反物質(zhì)粒子，并對它們的性質(zhì)進行精確測定，特別是它們衰變的方式。
這些研究將揭開全新的物理學(xué)真相。也許反物質(zhì)的失蹤與暗物質(zhì)有關(guān)（暗物質(zhì)占到了全宇宙物質(zhì)的85%，但科學(xué)家目前還從未探測到過這類粒子），而無從尋覓的反物質(zhì)與無處不在的暗物質(zhì)也許又與宇宙發(fā)生大爆炸時的狀態(tài)有關(guān)，因此這些實驗將帶我們溯源追根、深入探索我們的起源。
我們不可能預(yù)測到這些對撞機實驗揭露的真相會如何改變我們的生活，但我們上一次用“超強放大鏡”觀察這個世界時，我們發(fā)現(xiàn)了亞原子粒子和量子力學(xué)。利用這些知識，我們的計算機、醫(yī)學(xué)和能源生產(chǎn)都發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變。
我們會是宇宙中唯一的智慧文明嗎？
而在宇宙層面上，同樣有大量的未解之謎亟待解決，比方說，“我們是不是宇宙中唯一的智慧文明”這個老生常談的問題。雖然我們最近在火星上發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水，但暫未找到任何顯示微生物存在的證據(jù)，而火星環(huán)境極其嚴苛艱苦，因此就算找到了這樣的證據(jù)，這些外星生物也一定極為原始。
到目前為止，我們對外星生命的搜尋始終一無所獲。但即將在2021年發(fā)射的詹姆斯·韋伯望遠鏡或?qū)⑹刮覀兯阉饕司有行堑姆绞桨l(fā)生巨大變革。
圖為彩燈裝飾的詹姆斯·韋伯望遠鏡一比一模型。
之前的望遠鏡一般通過“凌日法”尋找地外行星，但詹姆斯·韋伯望遠鏡則不然。它利用日冕儀來遮擋恒星發(fā)出的、進入望遠鏡的光線（就像你伸出手遮擋刺眼的陽光一樣），因此可以直接觀測那些原本會被明亮光線所遮蔽的較小行星。
詹姆斯·韋伯望遠鏡不僅能探測新行星，還能判斷這些行星是否適合生命居住。恒星發(fā)出的光線進入行星大氣層后，特定波長的光線便會被吸收，在反射光譜中留下一些空缺。就像條形碼一樣，這些空缺的排列規(guī)律可以幫助科學(xué)家分析行星的大氣層成分。
而詹姆斯·韋伯望遠鏡能夠讀取這些“條形碼”，借此分析某顆行星的大氣是否具備生命存活的必要條件。在接下來50年間，我們將針對性地開展太空任務(wù)，弄清這些目標行星上是否存在外星生命。
科學(xué)家認為，離地球不遠的木衛(wèi)二便可能是太陽系中擁有生命的星球之一。盡管木衛(wèi)二溫度低至零下220℃，但在木星的強大引力作用下，木衛(wèi)二的地下水也許會不斷攪蕩、避免結(jié)冰，因此其中也許生活著微生物、甚至水生生物。
定于2025年發(fā)射的“歐羅巴快船”探測器（Europa Clipper）將證實木衛(wèi)二上是否存在地下海洋，并為后續(xù)任務(wù)尋找合適的登陸地點。它還將對木衛(wèi)二表面冰層中噴出的液態(tài)水展開觀察，分析其中是否存在有機物分子。
總而言之，關(guān)于宇宙的運作機制、以及我們在宇宙中所處的地位，仍有許多未解之謎尚未揭開。宇宙不會輕易吐露它的秘密，但在接下來50年間，宇宙在我們眼中一定會變得截然不同。
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