十個讓宇宙學家夜不能寐的問題，看看你能想通幾個

愛因斯坦說：「最重要的是不要停止發問，好奇心的存在，自有其道理。無怪乎當人在探索永恆、生命和其他奇妙的事物時會感到凜然，如果你每天都想學到一點東西，好奇心是必不可少的。千萬不要喪失我們擁有好奇心的天性。」

【1. 宇宙從何而來？】

循環宇宙模型。（ NewScientist）

宇宙學家整天談論大爆炸，但是他們其實根本不知道它是什麼。曼徹斯特的天文學家Tim O"Brien教授說：「我們能夠確定，早期的宇宙處於極熱和緻密的狀態中。但是觸發大爆炸的機制我們仍需要努力的去理解。」

2014年3月，天文學家宣布在北極的BICEP2已經找到了早期宇宙極速膨脹的證據——原初引力波的發現。觀測結果驗證了一個理論模型，即所謂的「暴漲理論」。不幸的是，在反覆的查證下，我們還未來得及歡慶這巨大的勝利，結果表明觀測到的信號其實是受到了空間塵埃的污染。

BICEP2結果的否定，對於另一個宇宙模型則是好消息，在Paul J.Steinhardt和Neil Turok提出的循環宇宙模型中，「大爆炸」並不是宇宙的開端，而是上一個宇宙塌縮的結果，我們的宇宙將持續膨脹，直到暗能量在某個時刻衰變，宇宙將不斷重複這個過程，也就是所謂的循環宇宙。這個理論模型語言「大爆炸」所需要的能量是非常小的，跟今天的能量密度差不多，這樣小的溫度並不會產生原初引力波。

【2. 什麼是快速射電爆？】

快速射電爆的強度，信號只維持了數毫秒。(Swinburne Astronomy Production)

快速射線爆的發現讓射電天文學家抓破了腦袋。這種神秘的電磁波只有少數的觀測的記錄，於2001年首次被探測到。這是一種持續時間極短的射電爆，其持續時間通常只有數毫秒，但是發射出的能量卻跟太陽一個月輻射的能量差不多。

天文學家對快速射電爆在宇宙中的具體來源暫無頭緒。於是提出了各式各樣的理論來解釋它的產生，包括恆星爆炸、蒸發的黑洞、甚至是外星信號。雖然有計算表明該射電爆每天至少發生1000次，但是我們仍然知之甚少。

【3. 什麼是時空連續性？】

倫敦學院大學的宇宙學家Andrew Pontzen博士說：「空間和時間的結合是上個世紀宇宙學成就的巔峰之作」。但問題是，沒有人懂的時空連續性的本質。在愛因斯坦的廣義相對倫中，時空本質上是連續或光滑的，物質的質量使得時空彎曲，而彎曲的時空告訴物質怎麼運動。時空像是可延展的物質，天體就懸掛在其中，然而一些量子引力理論對此持有不同的看法。

它們認為時空在微觀上並不是連續的，而是由大量極其微小的普朗克尺度大小的時空量子或粒子組成。這就好比海灘，如果從遠處望過去，海灘顯得很平滑，只有近看才發現原來它是由沙子堆砌而成的。這些時空粒子不斷出現和消逝，將編織成時空。比如，因果集理論和圈量子引力理論都假定了時空「原子」的存在。

我們如何才能探測到時空「原子」的存在呢？來自遙遠的巨大恆星爆炸，也就是伽瑪射線爆或許能給我們一些啟示。我們接收到伽馬射線爆在空中傳播中被「延時」了，這是因為受到時空「原子」的影響，較短波長的光會比長波長的光運行的慢一點。

然而，由於我們能觀測到的事件太少，至今還無法確定或否定時空的量子本性。謎底仍在：什麼是時空連續性？

【4. 月亮是怎麼誕生的？】

月亮的起源對天文學家來說並不易理解。在1990年代末，行星地質學家認為他們最終把焦點集中在了一個答案上，稱之為「大圖示」（Big Splat）。該假說認為一顆火星大小的天體撞擊了地球，殘留的碎片形成了月球。而阿波羅宇航員從月球上帶回來的岩石也證實了這一假說。

但是！更精確的測量顯示，月球上的岩石與地球上的岩石並不是僅僅相似，而是完全一樣！如果月球的誕生主要是由外來的天體撞擊，那麼這就不合常理了。儘管如此，來自公開大學的David Rothery教授解釋道：「大圖示目前任然是最好的假說，因為其他的假說基本上都站不住腳。」

最近，研究人員設想是否有可能撞擊的天體比預想的小，從而在撞擊的時候嵌入了地球，從地球迸發出的岩石進而形成了月球。

【5. 什麼是暗物質？】

大型強子對撞機LHC。（ CERN）

目前，天文學家研究的星系對象中，幾乎所有星系的旋轉都比理論預想的要快。這就暗示了，在星系間肯定有其他的質量來源不能直接被探測到，否則星系將分崩離析。瑞士的天體物理學家弗瑞茲.茨威基於1933年在學習這些深不可測的星系運動時，經過嚴密的計算髮現，星系間的可見總質量所能產生的引力強度不足以讓整個星系聚集在一起。於是他提出了一項在當時看來驚世駭俗的主張，他宣稱宇宙的絕大部分應當是由某種完全不同的物質組成的，即「暗物質」。

但是他瘋狂的想法一直被遺忘，直到1970年代，天文學家發現越來越多的星系都轉的太快了。那時才意識到弗瑞茲.茨威基的想法是對的，這些暗物質並不是由普通原子組成的，否則應該早已被觀測到。粒子物理學家提出了一個可行的方案，自然界這些隱秘的暗物質雖然不能被看見，但是它們仍然能與普通物質有引力作用。

歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）不久前經過了一系列的維護和升級已經重新啟動。物理學家Pontzen解釋到：我們正在進行一系列可行的實驗在緊鑼密鼓的搜尋者暗物質的蹤跡，其中的一個目標便是：中輕微子。這是目前暗物質假想中最好的候選者，如果CERN沒有找到它，那麼我們將要重新開始思考。或許我們應該修正現有的引力理論，比如「修正的牛頓引力理論」。

【6. 我們真的理解引力么？】

（ wikipedia）

很多科學家都希望我們能有一個更好的新理論來描述宇宙中的最強引力場。也有一小個群體認為該新理論也應該可以解釋弱引力場。基於這樣的想法，以色列物理學家Mordehai Milgrom於1980年代提出了「修正的牛頓引力理論」（MOND）。他在牛頓的萬有理論做了一點數學修正，從而可以解釋一個旋轉的星系並不需要暗物質的存在。但是並沒有人清楚的知道為什麼該修正必須存在。

ESA研製的激光干涉儀空間天線（LISA）探測器任務或許可以在暗物質和MOND之間做一個抉擇。該探測器是設計來研究空間中的引力。該探測器很快就會被發射至太陽和地球之間的區域來探測MOND的正確性。LISA擁有足夠的靈敏度探測弱引力是服從牛頓引力定律或者是Milgrom』s的所做的修正。如果牛頓引力正確，那麼可以肯定暗物質的存在。如果Milgrom是對的，那麼，他就有機會拿下諾貝爾獎。

【7. 什麼樣的行星是宜居的？】

開普勒22b，NASA確認的首顆位於宜居帶的系外星系。它圍繞著一顆與太陽非常相似的恆星公轉。（NASA）

在我們尋找宇宙中適合人類居住的星球時，我們首先必須清楚的知道一個星球需要什麼條件才可以支持生命的存在及延續。這並非想像的簡單，不過有一些因素決定了一個行星是否宜居。

天文學家時常談論的宜居地帶是指：，在一顆恆星周圍的一定距離範圍內，行星必須獲得足夠的溫度，並且在行星表面有水的存在。但是，從木衛二我們知道，這樣的想法太簡單了。

很清楚的，我們需要有足夠的能量來源和營養素，這樣水或者其它的溶劑才能發生生物化學反應。就我們了解的生命體而言，這意味著我們必須尋找任何地方擁有豐富的水和陽光。

但是，或許也存在其它的生物化學過程。一個主流的理論天體生物學研究方向是：鑒定其它生命路線的可能性。這樣的研究或許能改變我們對宜居帶的重新思考。

【8. 什麼是黑洞？】

（ NASA/JPL-Caltech）

我們確定黑洞的存在，儘管我們從沒有見過。黑洞是宇宙中奇異的天體，極高的密度使其擁有壓倒性的引力。一旦穿過了黑洞的界限——視界，任何能量都無法使你從黑洞中逃脫。甚至連光都無法逃脫，這就是為何將其稱之為「黑洞」。通常他們也非常小，這就意味著他們極不容易被發覺。假如一個地球能夠形成一個黑洞，那它將被壓縮成直徑一厘米的小球。

然而，黑洞真正的神秘之處在於黑洞內部到底有什麼。在物理上，沒有什麼能阻止物質塌縮成越來越密集的物體，直至塌縮成一個體積為零卻擁有無限密度的點，也就是所謂的奇點。但是在數學上，一個奇點似乎是不可能存在。就像O"Brien說的：「我很難相信自然界中有奇點的存在。」

現今物理學的兩大支柱，相對論和量子力學，在面對這樣的難題時毫無辦法。更糟的是，在處理黑洞的問題上，兩者還互相對立不能協調。物理學家正努力的構建一個「量子引力」，我們已經有了一些候選理論，但都沒有被驗證。

【9. Europa上有生命嗎？】

木衛二噴出羽狀物水蒸氣。（NASA/ESA/L.Roth）

Europa（木衛二）是伽利略1610年發現的木星四大衛星之一。在那個時候，這個發現引起了巨大的轟動，人們對木星系統充滿了好奇。但是直到1970年代，當科學家開闊了太空探測，我們才得以窺見Europa秘密的曙光。

木衛二鄰近的一顆衛星，Io，飽受了巨大的火山噴發，並不斷地將含硫酸的岩漿拋射進太空。這樣的火山激烈活動能夠得以持續主要是因為一場激烈的引力拔河賽，一邊被木星的引力吸引，另一邊被其他的衛星拉住。而在Europa，這些力的作用就沒有那麼嚴重。他們不能引發火山作用，但是他們可以保證衛星內部足夠的暖和，從而融化大部分的冰。Europa上的海洋總量比地球的海洋多了兩到三倍。

在地球上，有一個理論宣稱生命或許是在黑暗海底靠近熱液噴口的地方開始，因熱液噴出時形式「黑煙」，因此該高溫熱液活動區被稱之為「黑煙囪」。海底熱液會帶出大量的硫化物，遇水冷卻後形成巨大的「黑煙囪」。水攜帶的可溶性化學物會提供營養給生態系統中的微生物。那麼同樣的情形是否也會發生在Europa上？

來自公開大學的行星科學家David Rothery教授說：「Europa是一個極具潛力存在生命的地方，它有我們所需要的一切。」

NASA的Europa快艇探測計劃將決定Europa是否擁有存在生命的條件。目前我們還不知道確切的發射時間，但是預計會在2020年代。在2012年，哈勃空間望遠鏡發現了衛星的南極有水蒸氣，這意味著冰很薄或者有裂縫的存在，這樣在下層面的水就有機會逃逸。行星地質學家發現Eruopa上有裂縫的痕迹，因為引力正在發生作用。這對Euopa快艇是個好消息，該探測器可以直接在表面取水的樣本，或許還能發現生命的證據？

一旦探測器著陸Europa，將比在火星上更容易發現生命。這是因為在海洋內生長的微生物可以通過海流轉送到冰殼底下，通過裂縫的噴發可以將這些微生物帶到表面。如果計劃順利能夠探測到生命的痕迹，那麼下一個任務就是著陸在結冰的表面並且對海底進行探索。

【10. 什麼是暗能量？】

歐幾里得望遠鏡的渲染圖。（ ESA）

當你要羅列一系列未知的宇宙難題時，無疑排在最前面的應屬暗物質。暗物質是當前宇宙中最神秘的存在，我們根本不知道它是什麼。

1929年，美國天文學家埃德溫哈勃確定了遙遠的星系正在離我們遠去。比利時天文學家Georges Lemaitre在1927年在計算了宇宙的膨脹率時，預言了這樣的行為。有點不公的，這個發現最終被稱為了「哈勃常數」，不過這樣的事情在科學家大有例子。

1990年代，兩個國際研究小組互相競爭，測量可見宇宙在大尺度上的膨脹率，這有助於我們理解宇宙最終的命運：宇宙是否會一直膨脹下去，或者在某一個階段停止膨脹往回拉，形成災難性的「大塌縮」。

似乎顯而易見的宇宙的膨脹應該會減速，因為物質產生的引力應該會抵抗宇宙的膨脹。然後，兩個團隊發現的結果卻完全相反，膨脹在加速！進一步的研究表明該加速發生在70億年前，在宇宙年齡一半的時候。

這就好像是一種沒有被探測到的反引力物質統治著宇宙的行為，是它在不斷地把時空膨脹加速。他們把這種東西叫做「暗能量」，佔據了宇宙中70%的能量和物質。直至目前，科學家對於暗能量仍是毫無線索，要像揭開暗能量的面紗仍是一件非常困難的事情。

有兩種可能性：它要麼是一種能量，要麼是自然界中的一種基本力。如果是能量，那麼它應該顯示出一種與其它能量形式完全不同的性質。有些人稱之為負能量，因為它沒有產生引力而是產生了反引力。如果是一種力，通常被稱之為「第五元素」，它非常的弱。但是在廣袤的空間中，它可以積聚並加速空間膨脹。

為了辨別這兩種可能性，ESA正在建造一個空間望遠鏡稱之為「歐幾里得」。預計2020年發射，歐幾里得的巡天範圍包含了100億光年內的所有星系，對這些星系距離的精確測量可以繪製宇宙擴張圖，以此獲取更多暗能量是如何在宇宙擴張中作用。

不管最後暗能量是什麼，當我們理解自然本性時，我們將重寫教科書。