探索极小和极大的世界

19世纪末，一些物理学家认为，大多数重要的基本理论已经被牢固地建立起来了。那时的他们根本无法想象在接下来的一个世纪里，物理学会发生怎样天翻地覆的改变。理论和实验的齐头并进，彻底地改变了我们对宇宙，以及我们在宇宙中的位置的理解。

而在未来的几十年内，我们并不会停止发现的脚步，新的技术将帮助我们进一步揭开宇宙的层层面纱。

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在众多难题中，我们最关心的谜题之一便是：我们为什么会存在？

物理学家预测，宇宙大爆炸应该产生了同样多的物质和反物质。但正如我们今天所看到的，从微小尘埃到巨大的星系，宇宙中的每一个结构都是由物质组成的。那么反物质都到哪里去了呢？

○ 当物质和反物质相遇时，就会湮灭，以光子的形式释放出能量。| 图片来源：RealLifeLore/YouTube

大型强子对撞机（LHC）为这个问题提供了一些线索。在对撞机中，大量的质子会被加速到不可思议的速度，当质子与质子迎头撞上时，会产生重的物质粒子和反物质粒子，这些重粒子会衰变成更轻的粒子。

LHC的对撞结果显示，物质和反物质的衰变率略有不同。这种不同可以部分解释物质与反物质之间的不对称性。

但是，与物理学家们所习惯的精度相比，LHC就像是在用网球拍打乒乓球。由于质子并不是基本粒子，而是由更小的夸克和胶子组成的，因此当它们对撞时，它们内部的这些结构会被喷得到处都是，这大大增加了在对撞碎片中发现新粒子的难度，使得精确测量它们的性质变得更加困难，从而很难进一步提供有关反物质消失的线索。

未来环形对撞机（FCC）是下一代对撞机中最具代表性的。FCC的选址与LHC一样，依然在日内瓦，科学家计划在地底下建造一条长为100公里的环形隧道。届时，一旁的LHC将会像高速公路上的交流道那样，将加速过的粒子送入这个能量更强的新对撞机中。不同于之前的质子对撞，FCC第一阶段的设想是将电子与其反粒子——正电子——撞在一起。

○ LHC和FCC的大小比较。| 图片来源：CERN

与质子不同的是，电子和正电子是不可分割的，所以我们可以确切地知道对撞的是什么。此外，还将能够改变两者碰撞时的能量，从而产生特定的反物质粒子，并更精确地测量它们的特性——尤其是它们衰变的方式。

这些研究将有望揭示全新的物理学。一种可能性是，反物质的消失可能与暗物质的存在有关。天文观测表明，暗物质占据宇宙质量的85%，但目前所有的实验都没有发现它的踪迹。反物质的丧失和暗物质的普遍存在可能要归功于大爆炸期间的条件，所以这些实验或将提供关于我们为何会存在的重要线索。

我们无法预测未来对撞机实验中的新发现将会如何改变我们的生活。但上一次当我们用更强大的放大镜去观察世界时，我们的发现为今天的计算、医学和能源生产领域带来的革新。

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同样地，在宇宙尺度上也还有很多的东西有待发现。一个尤为古老的终极大问题是：我们在宇宙中是否是孤独的。尽管最近科学家在火星上发现了液态水，但我们并没有任何能证明微生物存在的确凿证据。即使发现了证据，星球上恶劣的环境意味着它正处于极度原始的状态。

到目前为止，在系外行星上寻找生命的工作还没有取得成果。但即将于2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）将彻底改变我们探测宜居系外行星的方式。

○ JSWT。

过去，望远镜会测量当行星从恒星前面经过时导致的星光亮度下降，与之不同的是，JWST将使用一种名为日冕仪的仪器来阻挡星光进入望远镜。这和用手阻挡阳光进入眼睛的原理是一样的。这项技术能使望远镜可以直接观测那些在通常情况下，其光芒会被恒星的强光所淹没的行星。

JWST不仅能够探测到新的行星，而且还能够确定它们是否能够支持生命。当恒星发出的光穿过行星的大气层时，特定波长的光会被吸收，在反射光谱中留下独特的印记。就像条形码一样，这些印记可以告诉我们关于构成地球大气的原子和分子的信息。

JWST将能够读取这些“条形码”，以此来探测一颗行星的大气是否具备生命存在的必要条件。在接下来的50年里，我们可以为未来的星际空间任务设定目标——去确定在那里都有怎样的生命存在。

在离地球更近的地方，木星的卫星——木卫二——被认为是太阳系中很可能孕育生命的地方。尽管它的温度很低（- 220°C），但它所绕行的超大质量行星所提供的引力，或许能使水在其表面下充分流动，阻止了冻结，从而使它成为微生物甚至水生生物的潜在家园。

一项名为“木卫二快船”的新任务将于2025年发射，它将确认那里是否存在地下海洋，并为后续任务寻找合适的着陆点。它还将观测从这颗行星的冰表面喷出的液态水喷流，看其中是否存在有机分子。

无论是构成万物的基本粒子，还是浩瀚的空间，宇宙仍然隐藏着许多与它的运作方式，以及我们在其中的位置有关的奥秘。它不会轻易地透露自己的秘密——但在50年后，宇宙很可能会呈现出完全不同的面貌。

未来10年望远镜一览

《在未来十年里，你是我看见浩瀚星海的眼》

撰文：Robin Smith（谢菲尔德哈莱姆大学物理学讲师）

原文标题为“Our place in the universe will change dramatically in the next 50 years – here’s how”，于2019年11月28日首发于The Conversation，原文链接：https://theconversation.com/our-place-in-the-universe-will-change-dramatically-in-the-next-50-years-heres-how-127782，中文内容略作修改，仅供参考，一切内容以原文为准。