未來宇宙探索的九大方向

■ 王壯凌

近年來，物理學家綜合最新的宇宙探測資料，包括宇宙微波背景、星系團、超新星等，得出驚人的推論：人類認知的宇宙，實際上只占宇宙全部物質及能量總和的5%以下，也就是暗物質及暗能量占宇宙整體的絕大部分。這一劃時代的發現，使宇宙科學的探索進入新的里程。為此，美國國家科學基金會及能源部委由17位知名物理學家組成的顧問委員會，規劃了未來宇宙科學探索的目標。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世紀探索宇宙科學的主要方向。

尚未發現的自然界定律

過去30年來，憑借量子力學的理論及實驗驗證，物理學家已建立起頗為成功的物質基本粒子標準模型，得以更了解規范物質、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基本粒子的微觀部分，卻未能適用于宏觀的宇宙科學，因此必須導入新的作用力及粒子，才能克服應用上的問題。這似乎顯示出，尚有其他自然界的定律沒有被科學家發現，重力、暗物質、暗能量等也應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現，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的反粒子，超對稱理論預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聯，并且在這個理論架構下預期存在的中性伴子，也可能是暗物質的來源之一。

未來借由粒子加速器進行各種實驗，就可以探索超伴子的結構及其基本性質，是粒子物理學的重要課題，也是驗證超對稱理論成立與否的直接挑戰。這也將確立超對稱理論在建構大統一力場理論時所扮演的角色，并確認中性伴子是否為構成暗物質的一種來源。

解開暗能量的奧秘

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

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

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

宇宙常數今日以暗能量的面目出現在世人面前，它所產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自宇宙誕生起就沒有停止過，在這場漫長的戰斗中，最舉足輕重的就是彼此的密度。物質的密度隨著宇宙膨脹導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；現今的暗能量密度已經大于物質的密度，斥力已經從引力手中徹底奪得了“控制權”，以前所未有的速度推動宇宙膨脹。根據一些科學家的預測，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。

暗能量的發現，也充分地體現了人類認知過程又走進了一個“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？它將如何發展？這已經是21世紀宇宙學所面臨的最重大問題之一。

更多維度的空間

弦論預測,除當前已知的四維時空外，尚有七維空間未被發現，因而使粒子物理顯得較為復雜。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，在處于不同振動態下表現出來的。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“大統一論”，得以邁出重要的一步。弦論建構的精密數學推演，使微觀的量子理論與宏觀的宇宙學得以用一致的模式來表現。

超弦存在嗎？它或許太小而難以直接觀測，但可經由驗證弦論所預測的若干事項來做判斷。例如弦論包含了超對稱理論，并預測有尚未發現的七維時空，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，了解其維數、形狀及大小，它們為何及如何隱匿起來，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取決于其大小及形狀，以及何種物質及作用力可以進入該空間。雖然至今尚無法知道這些空間的大小，但似乎應與粒子物理的基本能量尺度有關，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一理論的尺度。科學家固然可以由宇宙觀測所發現的不一致性，或短期精密重力實驗所得資料來推論額外維度的空間應屬宏觀尺度的規模，但這些額外維度空間也可能屬微觀尺度的規模。

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聯，并且所有的作用力可能源自單一的“大統一作用力”的各種不同表現。如經證實，則愛因斯坦生前期望的“大統一理論”將得以實現。

目前，量子理論已能用極相似的數學模式來描述重力以外的電磁力、弱力及強核力三種已知的大自然基本作用力。如經證實確有單一的“大統一力場”，則這力將建立起夸克和輕子的關聯性，并可預測不同粒子間轉換的途徑。這個“大統一力場”最終可能會使質子衰變成穩定的其他物質。

“大統一力場”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

為何已發現的夸克及輕子都各有三組家族成員？為何各組相對應的成員間，彼此的質量差異頗大，但其他物理性質，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？能否找出規則，把所有基本粒子依序排列，如同把化學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的表現，也或許各種粒子可借“大統一力場”或其他尚未明了的自然法則，來建立彼此的關聯。

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

暗物質究竟是何物

宇宙中的大部分物質屬未知的暗物質，它可能是宇宙誕生時產生的各種重的粒子。這些粒子中的大部分在宇宙演化過程中和其反粒子結合而湮滅，從而轉換成純能量，只剩下少部分留存下來，構成現今宇宙中的暗物質。這些暗物質的粒子，質量應該不會太大，應該有機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，宇宙的質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的說法，但直到近10年來，研究才有了更具體的進展。

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

暗物質存在的佐證，最先是由觀測宇宙星系團的旋轉曲線，發現其質量大于該星系團星體質量的總和，而推論出來的。后來，從觀測遙遠太空中光受質量影響而產生偏移現象的所謂重力透鏡效應，再度得到證明。最明確的證據則來自對宇宙微波背景的觀測及分析，結果顯示，已知的物質約占宇宙全部物質的不到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。它們的質量極微小，而與中微子相關的新物理領域研究卻必須在極高能的范圍才能進行。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。人體每秒有數以兆計的中微子通過，卻未留下任何痕跡。太陽內部的核聚變反應釋放出耀眼的陽光及大量的中微子，核聚變只產生一種中微子，但在其抵達地球的途中，奇妙地演變成另兩種中微子。

由于中微子的質量極微小，于是有人推論其質量應源自未知的物理規律，或許和統一力場有關。詳細研究中微子的性質、質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的模型一致?；蛟S，它將引領我們去發現新的物理現象。

宇宙的演化

在現代宇宙學理論中，宇宙是在一次大爆炸后，急速膨脹而產生的。在膨脹過程中，宇宙慢慢冷卻，并經歷數階段的轉變，陸續形成星體、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域的了解，借由太空望遠鏡及太空探測，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，可增進人類對宇宙過去及未來演化的認識。科學的研究已確認宏觀宇宙與微觀基本粒子之間，有著密不可分的關聯。

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產生？這種形態的物質在統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聯？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？

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生的重力波的蹤跡，進而獲得與宇宙膨脹有關的“場”性質的資訊。

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

反物質為何消失無蹤

宇宙在大爆炸中誕生時，幾可確定產生等量的正物質及反物質，但現今的宇宙似乎有絕對多的正物質存在，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，但我們如今生活在一個正物質的宇宙中也是一個不爭的事實。

宇宙演化早期，正反物質間可能已產生微量的不平衡，否則正反物質將完全抵消湮滅，轉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，因此它應是造成今日正物質宇宙的原因。只是目前所知有限，尚難論斷為何今日的宇宙由正物質占絕對優勢？應該還有一些尚未被發現的，造成正、反物質截然不同結局的作用存在，我們或許可以從夸克或中微子中找到答案。正、反物質行為差異的緣由，可能和希格斯玻色子的性質、超對稱或額外維度空間有關。

要自宇宙中消除反物質，必須有粒子的電荷宇稱破壞，使反物質與正物質產生些微差異。實驗物理學家于1964年發現中性K介子中有電荷宇稱破壞的現象，2001年又發現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，有待進一步實驗，以發現更多造成破壞的因素。