【宇宙的未知問題】

宇宙的未知問題，顯而易見，任何一種結局都在預示著生命的消亡。不過，人類的最終命運還無法確定。因為目前，人們尚不能對擴張和萬有引力做出精確的估測，更不知道誰將是最後的勝利者。

天文學家的觀測結果仍然存在著許多不確定的因素。這種不確定因素又是什麼呢？科學家指出，這一不確定因素涉及到膨脹理論。根據這一理論，宇宙始於一個像氣泡一樣的虛無空間。在這個空間裏，最初的膨脹速度要比光速快得多。然而，在膨脹結束之後，最終推動宇宙高速膨脹的力量也許並沒有完全消退。它可能仍然存在於宇宙之中，潛伏在虛無的空間裏，並在冥冥中不斷推動宇宙的持續擴張。為了證實這種推測，科學家又對遙遠的星系中正在爆發的恒星進行了多次觀察。通過觀察，他們認為這種正在發揮作用的膨脹推動力有可能確實存在。

決定宇宙未來命運的不僅僅是宇宙的擴張和萬有引力，還與在宇宙中久久徘徊的膨脹推動力所產生的渦輪增壓作用有關，而它可以使宇宙無限擴張下去。但是，人們最關心的或許是智慧生命本身。人類將在宇宙中扮演什麼角色呢？難道人類註定要滅亡嗎？人類已經在越來越快地改變著地球，操縱著自己的生存環境，也許到那時，人類將會以高度發展的智慧在宇宙中立於不敗之地。誰知道呢？且讓未來的地球人和地外一切生命拭目以待吧。人類對宇宙的認識永遠沒有終極，認識窮盡的那天也許就是人類或宇宙毀滅的那一天。正如愛因斯坦在寫給一個對世界的命運感到擔憂的孩子的信中所說：“至於談到世界末日的問題，我的意見是等著瞧吧！”

雖然科學家已經發現了一些宇宙最難以解釋的奧秘的答案，但仍然有很多我們不明白：如“外星巨型結構”恒星、快速無線電爆發(FRB)、暗物質的(不)存在等。由於一組科學家家的新研究，我們現在可以略識以前未知的銀河系反物質的奧秘。

本質上，反物質是電荷反轉的物質。例如，電子的反粒子是正電子，而質子的反粒子是反質子。當物質顆粒與其反物質佇列相遇時，它們釋放出一陣能量並消滅彼此。

大約40年前，科學家檢測到伽馬射線，這表明大約有10^43個正電子在每一秒鐘內被銀河系消滅。他們相信大部分集中在星系的中央隆起處，因為該地區不到銀河總品質的一半，所以沒有意義。澳大利亞國立大學的粒子天體物理學家羅蘭·克羅克(Roland Crocker)說：“這些正電子的來源是天體物理學40年來的一個神秘謎團。”

這個謎可能終於有了一個解決方案，這是一個比較簡單的方案。克羅克說：“你不需要像暗物質那樣異乎尋常的解釋來說明正電子。”相反，他和他的研究團隊表明，正電子可能來自一種超新星。

死亡的恒星，失落之星

克羅克的團隊認為，一個被稱為SN 1991bg的昏暗的超新星可能會產生所有這些無法解釋的正電子。這些超新星是由兩個超密白矮星組合而產生的，它們產生了大量的被稱為鈦-44的放射性同位素，能夠釋放被消滅的正電子。

但為什麼這些正電子集中在銀河系的內部?研究人員解釋說，像SN 1991bg這樣超新星，可能發生在距星體大約30億至60億年老的星系社區，不同於那些年輕的大品質的死亡恒星。我們的星系的中心的凸起恰好有一個比其外部圓盤更古老的恒星。

當然，雖然最簡單的解釋通常被證明是正確的解釋，但克羅克並不排除這個數十年前的謎團更令人興奮的解決方案。他說：“最新的資料顯示，正電子源與銀河系的中心相連。在我們的模型中，這被解釋為由於古老恒星分佈在星系的超大品質黑洞周圍的大約200秒差距(650光年)尺度上，但黑洞本身是一個有趣的替代來源。”

許多科學專家認為，宇宙不僅僅是由數十億個星系構成，同時還存在大量叫做暗物質的無形物質。這種奇特物質被認為是一種新類型亞原子微粒，它不會通過電磁進行交互作用，也不會產生較強或者較弱的核力。同時，暗物質品質被認為是宇宙普遍存在原子品質的5倍。

然而，事實上暗物質的存在還未被完全證實。暗物質仍是一個假說，儘管它是一個支持率較高的概念。任何科學理論都必須進行預測，如果它是正確的，那麼你所做的測量應當與預測相一致，暗物質也是一樣的。但是迄今為止，在低品質星系中心暗物質分佈的詳細狀況的測量與之前的預測並不相符。

近期，一項研究計算改變了這一點，該計算模型有助於解決“塔利·費舍爾關係”難題，它將星系中可見或者普通物質與它的旋轉速度進行對比，在非常簡化的條件下，科學家發現一個螺旋星系品質越大(越明亮)，旋轉速度就更快。

但是如果暗物質存在，一個星系“品質大小”不僅由其可見物質而定，而且還受到它所包含的暗物質的影響。如果作為較大部分的暗物質出現缺失，“塔利·費舍爾關係”則不應當成立。迄今為止，很難想像任何方法能協調這種關係和現有暗物質理論。

暗物質起源

暗物質可能存在的第一個暗示性發現可追溯至1932年，荷蘭天文學家簡·奧爾特(Jan Oort)測量了銀河系內恒星的軌道開放模式，並發現它們運行速度太快，無法通過觀測銀河系品質進行解釋。

然而近半個世紀之後天文學家才開始認真搜尋暗物質，上世紀70年代，天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)和儀器製造商肯特·福特(Kent Ford)依據恒星與星系中心的距離，測量了附近星系的自轉速率，他們將測量結果與標準牛頓引力理論進行了對比分析。

恒星以接近圓形路徑環繞主星系運行，而引力是保持恒星處於軌道位置的作用力。牛頓第二定律預測該作用力使這顆恒星在圓形軌跡中移動，F(圓形軌道作用力)應當等於恒星的引力作用，如果沒有F(引力作用力)，恒星將偏離進入太空軌道，或者進入銀河系中心。對於記得高中物理知識的人們來看，F(圓形軌道作用力)是一種慣性的表述，僅是牛頓第二定律F = ma，F(引力作用力)是牛頓萬有引力定律。

在接近銀河系中心的位置，魯賓和福特發現F(圓形軌道作用力)大致上與F(引力作用力)相等，但遠離銀河系中心的區域，F = ma的匹配性不是很好，雖然星系之間詳細狀況有所差異，但是它們的觀測結果基本上一致。

像這樣明顯的差異性需要進行解釋，接近星系中心的區域，羅賓和福特的測量資料意味著該理論有效，而較大軌道距離的差異性意味著現有理論無法解釋一些現象。他們的觀測結果表明，要麼我們不理解慣性如何運行(例如：F(圓形軌道作用力))，或者我們不理解引力是如何工作的(例如：F(引力作用力))。第三種可能性是牛頓第二定律等式是錯誤的，意味著還有其他的作用力或者影響並未計算在內，這是唯一的可能性。

解釋差異性

自40年前魯賓和福特開始搜尋暗物質以來，目前科學家已測試了許多理論，用於解釋他們發現的星系自轉差異。物理學家莫德采·米爾格諾姆(Mordehai Milgrom)提議了一項慣性修改，叫做“改良後牛頓力學”。在其最初階段中，它假設在非常低的加速度下運行，牛頓第二定律F = ma無效。

其他物理學家提議對萬有引力定律進行修改，愛因斯坦的廣義相對論在這裏是無效的，因為在這個領域中，愛因斯坦和牛頓的預測基本上是一樣的。而量子引力理論，則是試圖用亞原子粒子描述引力，同樣不能進行解釋。然而，還有一些引力理論使銀河系或者銀河系之外的預測不同於牛頓萬有引力定律，它們可以作為選擇性理論。

曾有科學家預測稱，存在新的作用力，這些觀點理論認為存在著“第五作用力”，意味著一種神秘力量超越了引力、電磁場和或強或弱的核力。最終科學家指向了暗物質理論，認為這是一種根本不與光發生反應的宇宙物質，卻具有引力牽引，彌漫分佈在整個宇宙之中。

當前銀河系旋轉測量是我們唯一獲得的資料，在這些不同理論中，它可能很難進行選擇。畢竟可能調整每個理論，能夠解決銀河系自轉問題，但是當前有許多不同現象的觀測將有助於確定最合理的理論。

一個是較大星系簇中星系的速度，對於星系簇而言，星系移動速度太快，它們無法聚集在一起。另一個觀測是非常遙遠星系的光線，觀測非常遙遠的遠古星系，結果顯示光線穿過鄰近星系團的引力場時而被扭曲。同時，他們研究發現宇宙微波背景的微小非均勻性特徵，這是宇宙“誕生哭聲”。所有這些測量值(以及更多的)必須通過新的理論來解釋星系旋轉速度。

關於暗物質未解答的問題

暗物質理論在預測許多測量值方面效果很好，這就是為什麼該理論在科學界被普遍認可的原因。但是暗物質仍是一個未經證實的模式，迄今所有暗物質存在的證據都是非直接的。如果暗物質存在，當它穿過地球時，我們應當直接觀測暗物質的交互作用，同時，我們可以在較大的粒子加速器中製造暗物質，像大型強子對撞機。然而這兩種方法都沒有成功。

此外，暗物質應當與所有的、而不僅僅是許多天文觀測一致。雖然暗物質是迄今為止最成功的模型，但它並不是完全成功的。暗物質模型預測大量矮衛星星系環繞像銀河系這樣的大型星系，其數量將比現已發現的數量更多。雖然現已發現大量的矮星系，但它們數量非常少，無法與暗物質預測數值進行對比。

另一個重要的公開問題是暗物質如何影響星系亮度和旋轉速度之間的關係，這種關係首次於1977年提出，叫做“塔利·費舍爾關係”，它已多次證明，一個星系的可見品質與它的旋轉速度密切相關。

對於暗物質的嚴峻挑戰

對於暗物質模型而言，塔利·費舍爾關係是一個嚴峻的挑戰，一個星系的旋轉受它所包含的物質總量控制。如果暗物質真實存在，那麼宇宙物質的總品質就是普通物質和暗物質的總和。

但是現今暗物質理論預測稱，任意星系都可能包含較大部分或者較小部分的暗物質，因此當人們發現宇宙可見物質時，你可能錯過發現占較大部分的暗物質。可見品質只能預測星系總品質的一小部分，星系的品質可能與普通的可見物質品質相似，也可能大得多。

因此，這裏沒有理由認為可見品質應當很好地預測星系的旋轉速度。事實上，今年一份研究報告表明，暗物質懷疑論者使用不同星系塔利·費舍爾關係的測量資料，來反駁暗物質假說，以及修正後的慣性理論。

然而，今年6月份發表的一篇論文中，科學家運行的暗物質模型對於科學研究具有巨大推動性。這項新類比不僅再現了暗物質模型成功的早期預測，還驗證了塔利·費舍爾關係。

這項最新研究報告是“半解析”模型，它是分析方程和仿真模擬的結合，它模擬了早期宇宙的暗物質簇，它們可能播種星系形成種子，但也包括普通物質交互反應，例如：受引力牽引，普通物質進入另一個天體，通過恒星光線和超新星加熱匯入氣體。通過認真調整參數，研究人員能夠更好地匹配預期的塔利·費舍爾關係，這種計算的關鍵在於預測自轉速度，其中包括：星系中高能重子至暗物質比率的真實數值。

這個最新計算是驗證暗物質模型的重要額外步驟，然而，這並不是最終的結果。任何成功的理論應當與所有測量資料一致，如果不一致，就意味著理論或者資料是錯誤的，或者至少不完整。預測和測量值之間仍存在一些差異(例如：一些小型衛星星系環繞較大的星系)，但是這項最新研究報告讓我們相信，未來工作將解決這些差異性。

暗物質能夠較好地預測宇宙結構理論，它並不完整，它需要通過發現實際的暗物質粒子進行驗證。所有當前仍有一些工作需要做。但是最新計算是重要的環節，便於我們知曉宇宙是否由暗物質主宰。

宇宙之外是否還有宇宙？

有理論認為我們的宇宙只是無數個宇宙中的一員，每一個宇宙都是自己的物理定律。歐空局“普朗克”衛星探測的結果似乎暗示一些其他宇宙存在的痕跡，不過目前還沒有確鑿的證據證明其他宇宙的存在。

愛因斯坦最偉大的成就是他的相對論，同時從數學的角度描述了黑洞概念。我們現在已經發現宇宙中確實存在黑洞這樣的天體，銀河系中央就存在大品質黑洞。但愛因斯坦的方程也推出了另一種神秘的天體，那就是“白洞”。與黑洞正好相反的是，白洞卻以“吐出”物質為主，但至今科學家也沒有發現此類天體。

暗能量是宇宙中最神秘的事物之一，科學家認為暗能量與宇宙加速膨脹有關，能夠解釋遙遠的星系、星系團為什麼會距離我們越來越遠。數學計算表明，暗能量佔據了我們宇宙74％的質能，抵消了星系間大品質物質形成的強大引力，使宇宙加速向外膨脹。然而我們還沒有確鑿的證據來解釋暗能量的行為，這仍然是一個宇宙之謎。

科學家目前正在研究其他行星上是否存在生命，同時也在尋找其他宇宙高級文明。有陰謀論指出太陽系內可能隱藏著早期文明的遺址，比如月球上可能存在古老文明的建築。近幾年，科學家已經在月球上發現了水，主要以冰物質狀態存在，這個發現為月球是太陽系史前文明的基地提供了論據。

美國宇航局的宇航員是一群訓練有素的人，他們幾乎是各個行業的專家，相當一部分人是資深飛行員，所以他們看到的不明飛行物事件該如何解釋呢？最有名的事件要數1963年戈登•庫珀在直播他的軌道飛行時，視窗處掠過了一個發光的綠色物體，並且在飛船附近做了一個急轉彎的機動。但飛船的雷達卻沒有任何反應，美國宇航局也不允許戈登•庫珀談論與不明飛行物的遭遇。

1976年，美國宇航局火星探測器拍攝到神秘的火星人金字塔，後來我們知道這只是一座酷似人類臉龐的火星山脈。但科學家並不否認火星文明存在的可能性，畢竟這顆紅色星球在數十億年前曾經被液態海水覆蓋，而且擁有磁場和宜居環境。美國宇航局已經發射了數艘火星探測器前往火星尋找液態水和生命，科學家希望不久的將來會有答案。

愛因斯坦的質能方程式是最著名的公式之一，我們可以根據品質計算出對應的能量大小。於是科學家使用這個公式對宇宙的品質進行計算，結果發現我們可以見到的物質僅占宇宙質能的4％，除了暗能量之外還有大量看不見的物質。事實上，我們無法看到、觸摸到暗物質，即便是光波、射電波也難以察覺其蹤跡。

科學家已經發現了數千顆系外行星，太陽也僅僅是一顆普通的恒星。這意味著太陽系之外還存在更多具備演化出生命的天體系統，銀河系內的恒星數量就達到千億顆，行星的數量就更加龐大。科學家相信我們發現擁有液態水的系外行星只是一個時間問題，比如行星格利澤581d就可能擁有液態水，未來我們還將發現宜居的行星。

星系來自何處？科學家在尋找地外生命的同時，也試圖揭開宇宙中更大的謎團，究竟恒星、行星和星系從何而來？事實上星系在宇宙空間中的分佈並不是隨機的，我們往往會發現所謂的超級集群，這裏擁有更多的星系。目前的理論認為星系來自大爆炸遺留下的氣體物質，通過引力作用聚集在一起。

十大宇宙之謎 科學家至今無法解答

1、平行宇宙

有理論認為我們的宇宙只是無數個宇宙中的一員，每一個宇宙都是自己的物理定律。歐空局“普朗克”衛星探測的結果似乎暗示一些其他宇宙存在的痕跡，不過目前還沒有確鑿的證據證明其他宇宙的存在。

2、暗能量

暗能量是宇宙中最神秘的事物之一，科學家認為暗能量與宇宙加速膨脹有關，能夠解釋遙遠的星系、星系團為什麼會距離我們越來越遠。數學計算表明，暗能量佔據了我們宇宙74%的質能，抵消了星系間大品質物質形成的強大引力，使宇宙加速向外膨脹。但是我們還沒有確鑿的證據來解釋暗能量的作用。

3、愛因斯坦相對論

愛因斯坦相對論同時從數學的角度描述了黑洞概念。我們現在已經發現宇宙中確實存在黑洞這樣的天體，銀河系中央就存在大品質黑洞。但愛因斯坦的方程也推出了另一種神秘的天體，那就是“白洞”。與黑洞正好相反的是，白洞卻以“吐出”物質為主，但至今科學家並沒有發現此類天體。

4、不明飛行物

最有名的事件要數1963年戈登-庫珀在直播他的軌道飛行時，視窗處掠過了一個發光的綠色物體，並且在飛船附近做了一個急轉彎的機動。但飛船的雷達卻沒有任何反應，美國宇航局也不允許戈登-庫珀談論與不明飛行物的遭遇。這讓不少人對此事件議論紛紛。

5、宇宙高級文明

有陰謀論指出太陽系內可能隱藏著早期文明的遺址，比如月球上可能存在古老文明的建築。近幾年，科學家已經在月球上發現了水，主要以冰物質狀態存在，這個發現為月球是太陽系史前文明的基地提供了論據。雖然許多科學家認為月球上存在文明遺址是荒唐的炒作，但還是有許多人相信月球的神秘地位。不過還需要科學的論據才能證明。

6、未知物質

愛因斯坦的質能方程式是本世紀最著名的公式之一，我們可以根據品質計算出對應的能量大小。於是科學家使用這個公式對宇宙的品質進行計算，結果發現我們可以見到的物質僅占宇宙質能的4%，除了暗能量之外還有大量看不見的物質。

7、星系如何產生?

科學家在尋找地外生命的同時，也試圖揭開宇宙中更大的謎團，究竟恒星、行星和星系從何而來?事實上星系在宇宙空間中的分佈並不是隨機的，我們往往會發現所謂的超級集群，這裏擁有更多的星系。目前的理論認為星系來自大爆炸遺留下的氣體物質，通過引力作用聚集在一起。

8、鷹狀星雲

哈勃望遠鏡拍攝的鷹狀星雲，這是一片擁有大量氣體與塵埃物質的空間，展示了恒星形成的場景。研究人員對照片進行處理後發現，內部似乎有個大型的人像，有趣的是我們在許多宇宙圖像中都可以看到類似的現象，這究竟是為什麼?目前還無法解答。

9、宜居行星

科學家已經發現了數千顆系外行星，太陽也僅僅是一顆普通的恒星。這意味著太陽系之外還存在更多具備演化出生命的天體系統，銀河系內的恒星數量就達到千億顆，行星的數量就更加龐大。科學家相信我們發現擁有液態水的系外行星只是一個時間問題，比如行星格利澤581d就可能擁有液態水，未來我們還將發現宜居的行星。

10、火星是否有生命

1976年，美國宇航局火星探測器拍攝到神秘的火星人金字塔，後來我們知道這只是一座酷似人類臉龐的火星山脈。但科學家並不否認火星文明存在的可能性，畢竟這顆紅色星球在數十億年前曾經被液態海水覆蓋，而且擁有磁場和宜居環境。

宇宙的終極命運

宇宙的終極命運是物理宇宙學中一個主要的議題。許多科學理論都對宇宙的命運做出預測並成為競爭的對手，包括未來與時間是有限還是無限。

自從宇宙起源於大爆炸並經歷暴脹的概念為大多數科學家接受之後，宇宙的終極命運就成為宇宙論可以探討的問題，取決於物理上的性質：在宇宙中的質量/能量，它們的平均密度和膨脹速度。

在阿爾伯特·愛因斯坦於1916年提出廣義相對論之後，宇宙的終極命運在科學上成為能夠探討的問題，可以用廣義相對論來描述有最大規模的宇宙尺度。廣義相對論的方程式有許多不同的解，每個解都意味著一種可能的宇宙終極命運。 亞歷山大·弗里德曼在1922年就提出了一些如同喬治·勒梅特在1927年提出的解。其中有一些宇宙最初是從奇點開始膨脹，基本上，這就是大爆炸。

在1931年，愛德溫·哈伯出版他研究的結論：根據他對遙遠星系造父變星的觀測，宇宙是膨脹的。此後，宇宙的開始和它可能的結束就成為科學研究的重要議題。

在1927年，喬治·勒梅特提出以後被稱為大爆炸的宇宙起源理論。在1948年，弗雷德·霍伊爾提出了反對的穩態理論，認為宇宙在統計上是穩定不變的，但是不斷的有新物質被穩定的創造而擴大。這兩個理論都有積極的贊同者，直到1965年阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發現宇宙微波背景輻射，這是大爆炸理論預測的一個事實，並且是穩態理論所無法解釋的。結果，大爆炸理論很快就成為宇宙起源最普遍被接受和持有的觀點。

根據天文觀測和宇宙學理論，可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。均勻各向同性的宇宙的膨脹滿足1930年代所提出的FLRW度規。根據這一方程式（不考慮暗能量的時候），物質的重力會導致宇宙的膨脹減速。宇宙的最終命運決定於物質的多少：如果物質密度超過臨界密度，宇宙的膨脹最後會停止，並逆轉為收縮，最終形成與大爆炸相對的一個「大擠壓」（Big crunch）；如果物質密度等於或低於臨界密度，則宇宙會一直膨脹下去。另外，宇宙的幾何形狀也與密度有關： 如果密度大於臨界密度，宇宙的幾何應該是封閉的；如果密度等於臨界密度，宇宙的幾何是平直的；如果宇宙的密度小於臨界密度，宇宙的幾何是開放的。並且，宇宙的膨脹總是減速的。

然而，上述說法只考慮了物質質量之數量，而並未考慮暗能量的數值，即是只代表了ΩΛ=0而ΩM分別為不同數值的情況。若然ΩΛ也考慮在內的話，開放宇宙（曲率為負）即使Ω＜０也可以到達大擠壓，封閉宇宙（曲率為正）即使Ω＞０也可以永遠加速膨脹。在ΛCDM模型成立之前提下，相關常數之最新觀測值表示，宇宙曲率接近平坦，膨脹速度則在加速。

研究宇宙的本質與未來命運：已經很多年了，描述宇宙的科學模型都會將宇宙的亞穩定性納入考量，也就是說，宇宙很可能擁有很長的壽命，但並不是完全穩定，空間某些區域可能在未來某個時刻被摧毀，因此倒塌成為一種更加穩定的真空態。假若能夠更準確地知道希格斯玻色子與頂夸克的質量，假若標準模型能夠正確地描述粒子的物理行為甚至到普朗刻尺度的極端能量，則對於宇宙的現有真空態是否穩定，還是只是壽長這問題，可以通過仔細分析得到答案。質量大約在125 – 127 GeV值域內的希格斯玻色子似乎非常接近分割穩定區域與亞穩定區域的邊界。更明確答案仍需等待更準確地測量頂夸克的極點質量。

假若測量結果建議，宇宙的真空是一種偽真空，則這意味著當今宇宙的作用力、粒子、架構可能不再存在，在幾十億年之後，可能會被另外一種宇宙全盤替代，假若它能夠成核。準確測量頂夸克質量可能需要新一代高端精密的正負電子對撞機。