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    哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

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      爱因斯坦

      【博科园-科学科普】如果你对本文有知识疑问等可在评论区留言,我们将尽可能的为你解答,同时也欢迎大家展开讨论。大家能学到知识,了解不曾知道知识信息,方不负作者撰写这样一篇科学科普文章。

      博科园-小提示:今天这篇文章几乎全是问号,足以彰显人类对宇宙规律奥秘的探索还有太多未知,那么你有兴趣继续阅读本文吗?我知道你也想知道,因为你依然尚存对科学有热情的一颗心,对吧?

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      如果引力本身不是一自然基本力,而是一个新生力,那么许多时空的奥秘可能会有一个与人类目前所寻求的不同。图片版权:Zoltán Vörös of flickr

      尽管我们知道了不少物理学,科学和宇宙,但仍然有一些令人难以置信的基本问题,但答案仍然难以捉摸。每一个都是对人类的挑战,答案是完全不确定的,取决于实际答案的巨大影响。从我们的宇宙诞生到支配一切事物的基本规律,从生命的起源到实际构成宇宙的实质,还有很多事情要发现。如果人类只能知道答案,我们应该选择哪一个呢?

      如果能对这五个问题的其中一个有一个完整的答案,那会是什么?

      1. 宇宙膨胀是发生了还是另一个过程?

      2. 地球是宇宙中唯一有生命的地方吗?

      3. 如何将广义相对论和量子力学融合?

      4. 什么是暗能量和暗物质?

      5. 生命是如何在地球上开始的?

      这些都是令人难以置信的问题,都是探究人类关于宇宙的最深层谜团的开放性问题,这也就是为什么每个人都很重要的原因!

      TOP1、宇宙膨胀

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      宇宙膨胀创造了热大爆炸,并催生了我们人类可以观察到的宇宙,但是只能测量膨胀对宇宙影响的一小部分。图片版权:E. Siegel,来自ESA / Planck的图像以及DoE / NASA / NSF机构间CMB研究小组

      我们知道宇宙大爆炸已经发生,但有一些很好的、无法解释的现象,需要作为初始条件来建立,作为我们今天所拥有的宇宙的初始条件,否则宇宙将不会像现在这样存在。宇宙膨胀是为这些条件提供了第一个准确的解释的理论,重现了宇宙大爆炸,再加上了许多其他的预测,其中许多已经被证实 是非常精确的。能够确切地知道在热门大爆炸之前发生了什么,以及这是一个特定的宇宙膨胀变量,还是像膨胀似乎是完全不同的东西,那将是非常了不起的!

      TOP2、地球以外的生命

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      在整个宇宙中,包括在最大的恒星形成区域——猎户座星云中,都发现了有机的、赋予生命的分子的特征。图片版权:ESA, HEXOS and the HIFI consortium; E. Bergin

      当然,我们都可以同意生命存在于地球上。但是除了地球之外还有什么地方有生命吗?那么,什么才是对生命的一个好的定义呢?太阳系的其它行星世界,当然有生命的组成部分,是过去还是现在的生命?那么围绕其他恒星的行星世界呢?它们有或没有生命的可能性有多大?与人类相比,他们有所先步?这些问题是人类目前所不知道答案的,尽管我们有极强烈的怀疑,认为地球上发生的所有相同的情况在宇宙其它地方已经发生了数万亿次。

      TOP3、寻找大统一理论

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      量子引力试图把爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。对经典引力的量子修正可视化为循环图,如(图)白色所示。图片版权:SLAC国家加速器实验室

      人类有两个非常成功的理论来描述宇宙,其中广义相对论解释了万有引力和量子场论对宇宙粒子的性质及其相互作用的解释。但是如果通过一个双缝隙传递一个电子,它的引力场会发生什么?黑洞内的奇点会发生什么?而且是时空的基础,还是它本身由离散的量子组成?没有量子引力理论和广义相对论和量子场论的理论结合,我们可能永远不会知道。宇宙究竟是否有关于万物的理论?引力真的是量子性的吗?这些都还不知道。

      TOP4、暗物质和暗能量

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      插图是大尺度大规模投影z = 0的体积,以最大的星系团为中心,并以15 Mpc/ h的深度为中心。显示暗物质密度(左)转换成气体密度(右)。如果没有暗物质,宇宙的大规模结构是无法解释的,尽管有许多修正的引力理论的尝试。图片版权:Illustris Collaboration / Illustris Simulation

      暗物质和暗能量是否存在?证据当然有力地表明了这一点。究竟是什么?然而这些都是我们目前不知道答案的大问题。暗能量似乎是在整个宇宙空间中均匀分布的恒定形式的能量;暗物质在万有引力的影响下似乎表现为一个粒子,能聚集。但暗物质实际上是基于粒子的吗?暗物质是通过除引力之外的任何力量与自身或正常物质相互作用的?怎么会这样呢?那么暗能量呢?这是空间本身固有的特性吗?这是一个单独的领域?为什么它有它的数值?迄今为止,所有这些答案都是难以捉摸的。

      TOP5、生命的起源

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      ALH84001陨石上有火星结构。一些人认为此处所示的结构可能是古代火星人的生命,而另一些人则认为这是地球上生命进入这块岩石的证据。图片版权:NASA, from 1996

      地球上的生命是如何开始的?我们知道在整个银河系、星际空间、甚至太阳系中都能找到生命的组成部分。从氰化物到糖类到甲酸乙酯都能找到复杂的碳基分子,其中最后一个分子是赋予树莓特有气味的分子。人类也发现陨石来源于内含氨基酸的小行星带,其中包括超过60个不参与地球生命过程的小行星/陨石。最后发现支持地球生命起源于地球形成之前的观点的间接证据 。但是还没有设法从非生命到创造生命的这一点。因此,仍然不知道地球上的生命是如何开始的。

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      一种非常原始生物体的微观尺度图。无论地球上的第一个生物是在地球上形成还是在地球形成之前,我们的星球的形成仍然是一个悬而未决的问题。图片版权:Eric Erbe,美国农业部,ARS,EMU克里斯托弗·普利(Christopher Pooley)的数字着色

      如果我们能够神奇地抓住,并且知道答案,应该选择哪一个?有两个重要的考虑因素:

      1、在知道如何找到答案的问题上,哪一个是“最难的问题”

      2、哪一个对人类社会最具革命性和有益的

      可以抛弃宇宙膨胀,因为已经有许多强大的证据,不仅支持膨胀,而且还紧紧地约束了哪种膨胀模式仍然有效。离答案太近了,如果接下来的20~30年有突破性成果,我们甚至可以知道宇宙膨胀是怎么发生的。出于同样的原因,也应该抛出地球之外的生命问题,或者它是如何产生的。这些是正在取得巨大进展的积极的问题,尽管我想知道我们并不孤单,但在陆地生物学和天体生物学方面学习的数量太重要了。当你知道答案的时候,就会错过发现问题的所有经验,在我们有生之年很可能会看到这些问题的答案慢慢地显露出来。

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      早期宇宙是由量子泡沫组成,量子涨落很大,变化很大,而且在最小的尺度上也很重要。图片版权:NASA / CXC / M.Weiss

      剩下的就是广义相对论与量子理论的融合,暗物质和暗能量的起源/本质。这些都是难以置信的困难问题,背后有很多想法,但实际上却看不到什么进展。我们的宇宙有一个量子引力理论,或暗物质和暗能量真正存在,这不是一个确定的事情,虽然有很多很好的理由相信所有这些都是如此。一切都将是革命性的,就像所有基本的物质发现一样,社会效益是很难想象的。

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      宇宙网由暗物质驱动,具有由膨胀率和暗能量决定的最大尺度结构。正常的电磁相互作用物质的崩溃形成沿着细丝的小结构。图片版权:Ralf Kaehler, Oliver Hahn and Tom Abel (KIPAC)

      但是如果必须选择一个,我会选择暗能量/暗物质的知识。如果暗物质是一粒子,我们就有可能以一种对社会极为有益的新方式来操纵它。它可以带来自由,丰富的能量,不只是在地球上,而且在任何我们在银河系旅行的地方。它可能与物质 – 反物质一样有效,如果能够利用它,无论我们走到哪里,它都会在那里。这是宇宙中的大多数,人类试图探测到的一切都是空空如也。可能会发现我们的方式是错误的,但是在我们正确地看待之前也没有办法知道。

      哪个基础科学问题最重要?宇宙膨胀,生命起源,统一理论,暗物质

      尽管银河系中大多数的暗物质存在于=巨大光环中,但每一个暗物质粒子都在引力的作用下形成了一个椭圆形的轨道。如果暗物质是它自己的反粒子,人类将探索如何利用它,它可能是自由能的终极来源。图片版权:ESO / L. Calçada

      这里没有正确和错误的答案,只是选择。重要的是要认识我们所知道的,想知道的是什么,可能性是什么,以及正在努力学习确切的答案。如果能够简单地知道今天遥不可及的东西,那么它就能引导人类走上正确的道路。但是不要低估探索过程的价值,也不要低估做出这些发现的经验教训的力量。乐趣不仅仅在于知道,而在于找出事物的行动!


      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

      • 内容:“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:Forbes science

      • 编译:卿君侧

      • 审校:博科园

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