愛因斯坦和超越他：誰是空間科學的開拓者？

■候濤

科學家正在研究遙遠星系中的黑洞，工程師正為探索難以到達的行星設計機器人儀器，教室里也在解釋宇宙的奧秘，小學生則對地球以外的任何地方是否存在生命感到困惑。所有這些人都是未來空間科學的開拓者，他們因為探索和了解我們的太陽系以及對宇宙的追求聯系在一起。現在，我們將向您一一介紹美國航空航天局的空間科學開拓者們，他們有老有少，有著不同的背景與興趣。

愛因坦斯接受了美國國籍

提名一位空間科學開拓者！他是所有時代中一位最偉大的空間科學開拓者！雖然他的大部分發現早于第一顆人造衛星進入太空50余年，早于人類在月球漫步60余年，早于第一架航天飛機升空70余年。我們來想象一下，一個世紀前，阿爾伯特·愛因斯坦開始創造他的相對論，我們從而能夠使用這一概念去理解空間、時間和重力。1905年將永遠被視為愛因斯坦的“奇跡年”，這位當時只有26歲的年輕人改變了我們看待空間、時間、物質、能量和宇宙的方式。愛因斯坦關于光速、物體相對運動、重力的影響以及能量同質量之間關系的理論，最終引出有關宇宙如何起源的大爆炸理論和一些新概念（例如黑洞和暗能量）。

盡管愛因斯坦的一些最重要的成果直到1915年才出現，但美國航空航天局和其他組織為了紀念愛因斯坦創新性研究的100周年，于2005年舉辦了整整一年時間的慶祝活動，被稱為“愛因斯坦百年紀念”。他的研究成果對科學和社會的影響無疑將持續未來多個世紀。

大多今天正處于進行中的尖端空間科學是愛因斯坦成果的延伸物。例如，在美國航空航天局進行的名為“超越愛因斯坦”的研究項目中，科學家運用他們的才智和美國航空航天局提供的器具來搜索三個重要問題的答案：是什么動力引發了宇宙大爆炸？什么是暗能量？在黑洞的邊緣會發生什么事？

關于宇宙如何起源有不同的理論，愛因斯坦自己沒有設想出大爆炸理論（這一理論認為宇宙由一個具有密集能量的微點爆炸而成，并從那時起一直處于擴張狀態）。但正是愛因斯坦的數學方程描繪了質量、能量、重力和宇宙的其他方面如何相互影響，科學家稍后才支持這樣的解釋。

約翰·霍普金斯大學教授查爾斯·貝內特領導著科學家進行美國航空航天局的威爾金森微波各向異性探測器項目。在這個以太空為基地的強大望遠鏡的幫助下，該項目展現出了宇宙在130余億年前的“嬰兒期畫面”，那時離宇宙大爆炸發生不超過10億年。貝內特表示，今天的研究人員必須繼續問問題和思考條條框框（就如同愛因斯坦所做的那樣），來計算出什么會引發大爆炸。貝內特現在聚焦于確定宇宙如何有可能從大爆炸開始階段演變成現在我們看到的狀態。他說：“愛因斯坦極度信奉實驗和觀測，這二者既能引導，又能檢驗理論。他始終保持著對事物的敏銳眼光，盡管很多完全不合乎情理。他問自己如何能用有創意的新思路解決這些問題。”

新思路是芝加哥大學教授肖恩·卡羅爾現在所關注的，他的工作任務是設想出某些方式，即神秘的、尚未被看到的、被稱為暗物質的力量如何可以造成宇宙擴大的速度越來越快。這聽起來很具有挑戰性，而在知道宇宙正在擴張之前，想象一下預期這股力量的難度吧！那就是愛因斯坦曾經做過的。

愛因斯坦方程中的宇宙需要擴張或收縮，但是，在那個時代，他和其他人都認為上述點宇宙都沒有在做。所以，愛因斯坦將他所稱的“宇宙學常數”添加到他的方程式中。然而，當后來證實宇宙確實在膨脹后，他迅速拋棄了這一術語。愛因斯坦稱這整個概念是他“最大的失誤”。但從現在看來，愛因斯坦畢竟意識到了某些東西。

二項新的研究（利用星系團觀察、研究宇宙尺度上的引力特性），將愛因斯坦廣義相對論用于前所未有的實驗。利用美國航空航天局觀測衛星數據得出的結果表明，愛因斯坦理論仍是目前最佳的理論。這樣的研究，對于理解宇宙的演化（無論是過去還是未來）以及探索暗能量（科學的最大謎團之一）的特性，都有著十分重大的意義。這幅Abell3376星系團的合成圖像表明，觀測衛星和羅斯特望遠鏡得出的X射線數據呈金黃色，數字化巡天得出的光學圖像呈紅色、綠色和藍色，而射電望遠鏡巨陣得出的射電影像呈藍色。X射線數據子彈一樣的外觀是由右側流入這個星系團的物質合并造成的，影像左側巨大的射電弧可能是由這個合并產生的沖擊波造成的。過去的星系團衛星觀測表明，暗能量在過去50億年中，抑制了這些巨大結構的發展。同時，這些觀測還為暗能量的存在提供了獨立的證據。而暗能量，則可為宇宙距離的測量另辟蹊徑

科學家近來發現，宇宙不僅僅是在膨脹，它還在加速擴張。有一種方式能解釋這種加速，那就是存在類似愛因斯坦起先的“宇宙學常數”中所提出的一種力量。

當卡羅爾冥思苦想什么是暗能量及它來自哪里時，他效仿著他所認同的愛因斯坦最優秀的品質。卡羅爾發展了新的理論，并提議如何測試它們。他說：“愛因斯坦學習了差不多所有已知事物，在那個時代，他對新的做事方式保持著虛心。”愛因斯坦本人并不相信黑洞，但他的其他理論竟能預測到黑洞，可以肯定的是，那無疑是用開放的心態在設想黑洞的存在。

科羅拉多大學教授米奇伯·格爾曼研究了黑洞的構成以及它們如何影響星系。在太空中，這一區域的引力是如此之強，以致光都無法逃脫。他說，他期望從現在開始的大約10年內美國航空航天局能發起二個任務：激光干涉空間天線將利用激光技術來幫助科學家更好地理解中等大小的黑洞如何合并形成大的黑洞；與此同時，攜帶四部X射線望遠鏡的“X星座”空間天文臺將在物質被吸入黑洞之前測量它們釋放出來的輻射。無論是研究黑洞還是研究其他怪異現象，格爾曼都通過借鑒愛因斯坦的工作態度來進行他的研究。格爾曼認真地說：“他能夠采取一種假說，并采用其符合邏輯的結論，不管這一假說如何違反直覺。當我思考一個奇怪的天體物理對象時，我試圖記起這個，而司空見慣的想法只能使你局限起來。”

當格爾曼和其他科學家尋求關于早期宇宙、暗能量及黑洞等一系列問題的答案時，他們用同一種方式看待愛因斯坦的理論，如同以前愛因斯坦看待別的那些理論一樣。他們使用這些理論來解釋我們的宇宙中存在的盡可能多的神秘現象，但同時也保留了修改這些理論的權力，以此作為發展全新理論的基石。

誰能知道？也許某一天有人會構想出一整套全新的理論，這些理論甚至是愛因斯坦都從未想到過的。那個人甚至可以是你，雖然也許不是在一年之內。

想象一下，這幅宇宙的“嬰兒期畫面”顯示了超過130億年前溫度的微小變化，那離宇宙大爆炸發生后不久。科學家在對整個天空為期12個月的全面觀測期中，使用美國航空航天局的威爾金森微波各向異性探測器捕獲了這一畫面