八个让科学家夜不能寐的大问题
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And when [man] has conquered all the deeps of space and all the mysteries of time —— still he will be beginning
——H.G.Wells
人类拥有着无限的求知欲。我们不停的发出疑问，并试图阐明背后的原理。到目前为止，我们在理解宇宙的奥秘上已经做的相当好了。但还远远不够，每当我们解决了一个问题，就会立即产生一个新的谜题。下面我简述八个大问题，科学家为此绞尽脑汁，却还不知道我们离真理有多远。但他们已经开始了一系列探测计划帮助我们寻找答案。
1. 我们从哪里来？
△ 宇宙经历了一次又一次的膨胀和收缩。
我们有很说服力的证据表明，宇宙诞生于约138亿年前。但这是否真的是故事的开始？有没有可能，在那之前宇宙就存在了？我们的宇宙是否是由两个平行宇宙对撞而产生的？又或者宇宙是一直在循环的？老实说，我们可能永远也得不到真正的答案......
任务：高能X-射线卫星EXIST
△ EXIST（图片来源：NASA）
未来的太空望远镜将更好的研究从遥远伽玛射线暴发出的光线，这或许可以帮助物理学家寻找“圈量子引力”理论的证据，该理论预言了大爆炸是由之前存在的宇宙坍缩而形成的。
扩展阅读：《最最基本的大问题：宇宙是如何开始的？》。
2. 什么是暗能量？
△ 通缉暗能量！（图片来源：Artwork by Sandbox Studio, Chicago）
或许它是一种未知的力或能量，占据了宇宙总质量-能量的68.3%。或许是一种神秘的引力性质，又或许跟额外维度有关。我们对它一无所知。只知道是它导致了宇宙加速膨胀。
任务：WFIRST （2020年代中期）
△ WFIRST的艺术描绘。（图片来源：NASA's Goddard Space Flight ）
NASA研发的宽视场红外巡天太空望远镜（WFIRST）将调查暗能量究竟是一种能量或者一种引力现象。
扩展阅读：《如果能量不守恒......》。
3. 时间的箭头
△ 时间的不对称性：破蛋不能够重圆。（图片来源：BBC）
从直觉上我们都知道，时间是方向不对称性的，它只向前流逝，一个破碎的鸡蛋永远无法自发的“破蛋重圆”。有一些人认为这是热力学第二定律所导致的，有一些人则认为是暗能量的结果。甚至有一些人在鼓吹时间之前的时间，即在大爆炸之前的一个时期，时间实际上是逆流的。
任务：太空引力波探测器站 （2030年代）
△ eLISA引力波探测器。（图片来源：ESA）
超灵敏太空阵列允许我们研究时空的涟漪——它们来自大爆炸之前，携带着宇宙诞生之前的状态的信息。
扩展阅读：《时间之箭：从熵到大爆炸再到万物理论》，《暗能量是导致时间总是指向未来的幕后黑手？》。
4. 什么是暗物质？
△ 暗物质有许多候选者，比如轴子、WIMP等。（图片来源：NASA's Goddard Space Flight ）
通过引力效应，科学家推测暗物质占据了宇宙总质量-能量的26.8%。科学家提出了许多暗物质的候选者，比如WIMPs、轴子和额外维物质等。但也有可能根本不存在暗物质，只是目前最好的引力理论——广义相对论需要得到修正。我们仍然在黑暗的迷雾之中......
任务：欧几里得探测器 （2020年？）
△ 欧几里得卫星的艺术描绘。（图片来源：ESA）
欧洲航空局提出了欧几里得任务，通过精确地测量宇宙膨胀来寻找暗物质的本质。
扩展阅读：《探索宇宙的黑暗面》。
5. 为什么是物质？
△ 氢：由质子和电子组成；反氢：由反质子和正电子组成。
当物质和反物质相遇时，它们会湮灭产生能量。科学家认为在宇宙诞生后，应该有等量的物质和反物质产生，结果就是全部湮灭，只留下一片能量。但现在我们看到宇宙中有碳基生命、行星、恒星和星系。是什么导致现在的宇宙中只剩下物质？而没有反物质？
任务：LHCB
△ LHCb探测器。（图片来源：LHCB）
在CERN的大型强子对撞机（LHC）中的“美丽实验”（或称为底夸克实验）中，科学家通过研究底夸克的相互作用试图理解物质-反物质不一致的秘密。
扩展阅读：《为什么我们都是由物质组成？而不是反物质？》，《对称性的又一次胜利》。
6. 万物皆由弦构成的吗？
△ 世界是由一维的弦组成的吗？（图片来源： flickr user Trailfan）
10到26维，D-膜和S-对偶，卡拉比-丘流行和M-理论。欢迎来到奇异的弦理论世界！在这里，一维弦的振荡构成了我们世界的一切。但问题是：我们要怎么验证它的正确性？
任务：天文测量
△ 等效原理。（图片来源：http://www.astro.cornell.edu/）
通过超级灵敏的下一代望远镜对太阳系以外的天体进行精确测量，或许能够探测到违反爱因斯坦的等效原理的迹象，有些人认为这是弦理论的一个强有力证据。
扩展阅读：《十个问题，带你认识弦理论》，《爱因斯坦的陀螺》。
7. 我们是孤独的吗？
△ 上行为德雷克方程，下行为Adam Frank提出的新方程。（© A. Frank/University of Rochester）
宇宙中存在着生命——我们的存在证明了这一点。但是，我们是唯一吗？或许在宇宙的各处都有生命在演化着？如果有其它的外星智慧生命，他们会跟我们问一样的问题吗？又或者他们不想被我们找到？
任务：突破倾听
△ 从左自右：Yuri Milner、Stephen Hawking、Martin Rees、Frank Drake、Ann Druyan 和 Geoff Marcy.
这个一亿美元的项目，是由俄罗斯亿万富翁Yuri Milner发起资助的。目标是扫描离我们最近恒星，甚至是星系中有可能是智慧来源的射电和光信号。这是寻找外星生命最雄心勃勃的计划。
扩展阅读：《人类在宇宙是孤独的吗？》，《外星人究竟在哪里？一个你可能不会喜欢的答案》。
8. 我们何处去？
△宇宙的可能面临的命运？（图片来源：NASA/STSc）
宇宙的最终命运是什么？宇宙会在某个时刻突然停止膨胀，并开始收缩回到它刚诞生时的状态吗？或者它将不断地膨胀下去，并最终将一切撕裂？又或者宇宙将达到热寂状态，一切事物都将处于一个温度，但随着持续膨胀，宇宙会变得越来越冷，直至陷入一片死寂？又或者，未来人类将足够强大到能够掌控时空的命运？只要时间能告诉我们.......
任务：下一代望远镜
△ 詹姆斯·韦伯太空望远镜。（图片来源：NASA/STSc）
新的望远镜，比如詹姆斯·韦伯太空望远镜和引力波探测器，将帮助我们正确的测量宇宙的膨胀率，允许我们更精确的测量宇宙中的密度。
扩展阅读：《宇宙的命运》。
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