云鹰:天文学家,您可以给我们讲点太空知识吗:
天文学家:可以
近年来物理学家综合最新的宇宙探测资料，包括宇宙微波背景、星系团、超新星等，得出惊人的推论：人类认知的宇宙，实际上只占宇宙全部物质及能量总和的 5 ％ 以下，也就是「暗物质」及「暗能量」占宇宙整体的绝大部分。
这一划时代的发现，使宇宙科学的探索进入新的里程。为此，美国国家科学基金会及能源部委由 17 位知名物理学家组成顾问委员会，规划未来宇宙科学探索的目标。该委员会最后提出具体建议，以下列九项物理基本问题做为 21 世纪探索宇宙科学的主要方向。
一、太空科普知识
过去 30 年来，藉由量子力学的理论及实验验证，物理学家已建立颇为成功的物质基本粒子标准模型，得以更了解规范物质、能量、时间及空间的物理定律及基本粒子。量子理论虽能成功地描述物质基本粒子的微观部分，却未能适用于宏观的宇宙科学，因此必须导入新的作用力及粒子，才能克服适用上的问题。这似乎显示尚有其它自然界的定律未被科学家发现，重力、暗物质、暗能量等也应有合于量子理论的解说来支持，才能使物理定律体系更为完整。
人类亟欲探索的自然界基本法则，有些在宇宙诞生后就隐匿不见了，因此这些定律或法则不易被发现，其中之一可能就是称为「超对称」的理论。就如同每一个基本粒子必有一个对应的反粒子，超对称理论预言每一种基本粒子也有一个超伴子与其相随。支持超对称理论成立的部分重要因素，是其可能与「暗能量」有关联，且在这理论架构下预期存在的中性伴子，也可能是「暗物质」的来源之一。
未来藉由粒子加速器进行各种实验，来探索超伴子的结构及基本性质，是粒子物理学的重要课题，也是验证「超对称理论」成立与否的直接挑战。这也将确立「超对称理论」在建构「大统一力场理论」时所扮演的角色，以及确证中性伴子是否为构成暗物质的一种来源。
二、我们的星空
1 、解开暗能量的奥秘
宇宙中充满的「暗能量」使宇宙得以持续加速膨胀，似应有一能解释这机制的量子理论做后盾。就目前所知，「暗能量」可能和提供物质质量的「希格斯场」有关。
美国于 2001 年发射的宇宙微波探测卫星（ WMAP ），主要的目的在观测宇宙诞生时就产生而至今仍能被记录的微波辐射。由这个卫星搜集到的数据，显示：
宇宙的时空几何形状是平面式的，宇宙的年龄是 137 亿年，构成宇宙的成分中，可见的物质（星体、银河等）只占 4 ％，暗物质则占 23 ％，其余 73 ％全属暗能量。这一探测结果与先前综合其它科学观测的推论极为吻合。
科学家迄今并不确知暗能量是甚么？为何存在？如以微观的基本粒子真空能量去概估暗能量，其数值将达宇宙中能被观测到的可见总能量的 10120 倍。如此巨大差异，显见仍有一些尚未明了的过程会消耗掉大部分的真空能量，让剩余的少部分能量来加速宇宙的膨胀。目前物理上以「希格斯场」理论来解释粒子具有质量的事实，如无「希格斯场」，则电子会以光速奔驰，原子也会立即解构。「暗能量」是否和「希格斯场」有关？如能确证粒子的超对称性，则将提供「暗能量」与「希格斯场」间关联性的重要左证。
科学家长久以来，就认为太空并非真的空无一物，至少充满了能给粒子质量的「希格斯场」。不久的将来，等到日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机开始运转，并进行实验后，预料将可验证理论上担任传递作用的希格斯玻色子是否存在。如能证实「希格斯场」的存在，势将开启涉及一系列新粒子及其交互作用关系的物理研究新阶段。若再配合新的高能线性加速碰撞设备，将成为探索与「希格斯场」有关物理领域的重要研究工具。
暗能量可能和「超对称」及「希格斯场」都有关联，似乎更加重了科学家对「希格斯场」物理领域和量子理论相容的期待。如能经实验证明，会成为探索暗能量来源的基础。
2 、 更多维度的空间
弦论预测：除当前已知的四维时空外，尚有七维空间未被发现，因而使粒子物理显得较为复杂。如能证实这些额外维度的空间确实存在，将是人类历史上划时代的大事，除改变对宇宙起源及演化的了解外，也可能重塑我们对重力的固有观念。
弦论是假设 所有已知的作用力及基本粒子，都由单一的对象称为「超弦」者，在处于不同振动态下表现出来的。藉此使爱因斯坦殷盼用来描述宇宙中小至极小的基本粒子、大至宇宙整体的「大统一场论」，得以迈出重要的一步。弦论建构的精密数学推演，使微观的量子理论与宏观的宇宙学得以用一致的模式来表现。
「超弦」存在吗？它或许太小而难以直接观测，但可藉由验证弦论所预测的若干事项来做判断。例如弦论包含了超对称理论，并预测有七维尚未被发现的空间，因此要验证弦论的正确性，须寻找额外的维度空间，并探索其性质，了解其维数、形状及大小，它们为何及如何隐匿起来，以及新的空间维度涉及哪些新的基本粒子等。
额外维度空间的物理效应，取决于其大小及形状，以及何种物质及作用力可以进入该空间。虽然至今尚无法知道这些空间的大小，但似应与粒子物理的基本能量尺度有关，包括宇宙尺度、暗能量密度、以兆电子伏特计的电弱尺度、或最终大统一理论的尺度。科学家固然可由宇宙观测所发现的不一致性，或短期精密重力试验所得数据，来推论额外维度的空间应属宏观尺度的规模，但这些额外维度空间也可能属微观尺度的规模。
3 、 基本作用力的来源
追本溯源，宇宙所有的基本作用力及粒子可能互有关联，且所有的作用力可能源自单一的「大统一作用力」的各种不同表现。如经证实，则爱因斯坦生前期望的「大统一场理论」将得以实现。
目前量子理论已能用极相似的数学模式，来描述重力以外的电磁力、弱力及强核力三种已知的大自然基本作用力。如经证实确有单一的「大统一力场」，则这力将建立起夸克和轻子的关联性，并可预测不同粒子间转换的途径。这个「大统一力场」最终可能会使质子衰变成稳定的其它物质。
「大统一力场」是否存在的重要线索，可能来自实验室中对极稀少的微小粒子的衰变侦测，其它罕见演变过程的观测，以及对极高能粒子的精密量测。由于不确知线索会出现在何处，因此多面向的实验研究有其必要。
4 、 为何有众多的基本粒子
为何已发现的夸克及轻子，都各有三组家族成员？为何各组相对应的成员间，彼此的质量差异颇大，但其它物理性质如带电量、自旋等则相同？各粒子的功能、角色为何？宇宙中全部基本粒子共有几种？能否找出规则，把所有基本粒子依序排列，如同把化学元素排列成周期表一样？或许各种基本粒子只是「超弦」不同样态的表现，也或许各种粒子可藉「大统一力场」或其它尚未明了的自然法则，来建立彼此的关联。
物理学家至今已确认 57 种基本粒子，量子理论已证明：粒子标准模型中，欲产生「电荷宇称破坏」，至少需有三组粒子家族成员，而「电荷宇称破坏」是形成现今宇宙由正物质而非反物质居优势的必要条件。不过至今科学家由观测宇宙现象所得的数据，尚不足以解释正物质胜过反物质的全貌。目前各项粒子物理的实验工作，集中于对已发现的各种基本粒子做更详细的探索研究，以了解其性质，并搜寻 3 组粒子家族间的差异。
5 、 暗物质究竟是何物
宇宙中大部分物质属未知的暗物质，它可能是宇宙诞生时产生的各种重的粒子，这些粒子中的大部分，在宇宙演化过程中和其反粒子结合而湮灭，转换成纯能量，只剩下少部分留存下来，构成现今宇宙中的暗物质。这些暗物质的粒子，质量似不致太大，应有机会藉实验室的高能加速器制造出来以供研究。如无暗物质，宇宙的质量将不足以凝聚形成星系、银河，也就不会有生命的诞生。虽然在 1930 年代就有人提出暗物质的说法，但近十余年来的研究才有更具体的进展。
近年来对宇宙构造的观测，证明暗物质不同于人类在实验室中曾发现、探索过的任何已知物质。新理论中的粒子，如超对称理论所预言的一系列超伴子，它们和其它一般物质间的相互作用非常微小，就可能是构成暗物质的粒子。目前的研究是藉由置于地底下深处坑道中的侦测设备，来探测宇宙诞生后所残余的暗物质高能粒子，或利用实验室的高能粒子加速器制造可能的暗物质粒子，以探究其性质。
暗物质存在的左证，最先是由观测宇宙星系团的旋转曲线，发现其质量大于该星系团星体质量的总和，而推论出来的。后来，从观测遥远太空中，光受质量影响而产生偏移现象的所谓重力透镜效应，再度得到证明。最明确的证据，则来自对宇宙微波背景的观测及分析，各项分析结果都显示，已知的物质约只占宇宙全部物质的不到 5 ％。
6 、 神秘的微中子
微中子是所有已知基本粒子中最神秘的一种，它们在宇宙演化的过程中扮演重要角色。它们的质量极微小，似显示与微中子相关的新物理领域研究，须在极高能的范围才能进行。它们无所不在，却难以捉摸，且与其它粒子的相互作用极为微弱。人体每秒钟有数以兆计的微中子通过，却未留下任何痕迹。太阳内部的核融合反应，释放出耀眼的阳光及大量的微中子，核融合只产生一种微中子，但在其抵达地球的途中，奇妙地演变成另两种微中子。由于微中子的质量极微小，于是有人推论其质量应源自未知的物理规律，或许和「统一力场」有关。详研微中子的性质、质量和如何自一种演变成另一种，以及微中子是否就是其本身的反粒子等问题，将使我们明了微中子是否与一般物质的模型一致，抑或它将引领我们去发现新的物理现象。
近年来物理学家综合最新的宇宙探测资料，包括宇宙微波背景、星系团、超新星等，得出惊人的推论：人类认知的宇宙，实际上只占宇宙全部物质及能量总和的 5 ％ 以下，也就是「暗物质」及「暗能量」占宇宙整体的绝大部分。
这一划时代的发现，使宇宙科学的探索进入新的里程。为此，美国国家科学基金会及能源部委由 17 位知名物理学家组成顾问委员会，规划未来宇宙科学探索的目标。该委员会最后提出具体建议，以下列九项物理基本问题做为 21 世纪探索宇宙科学的主要方向。
一、太空科普知识
过去 30 年来，藉由量子力学的理论及实验验证，物理学家已建立颇为成功的物质基本粒子标准模型，得以更了解规范物质、能量、时间及空间的物理定律及基本粒子。量子理论虽能成功地描述物质基本粒子的微观部分，却未能适用于宏观的宇宙科学，因此必须导入新的作用力及粒子，才能克服适用上的问题。这似乎显示尚有其它自然界的定律未被科学家发现，重力、暗物质、暗能量等也应有合于量子理论的解说来支持，才能使物理定律体系更为完整。
人类亟欲探索的自然界基本法则，有些在宇宙诞生后就隐匿不见了，因此这些定律或法则不易被发现，其中之一可能就是称为「超对称」的理论。就如同每一个基本粒子必有一个对应的反粒子，超对称理论预言每一种基本粒子也有一个超伴子与其相随。支持超对称理论成立的部分重要因素，是其可能与「暗能量」有关联，且在这理论架构下预期存在的中性伴子，也可能是「暗物质」的来源之一。
未来藉由粒子加速器进行各种实验，来探索超伴子的结构及基本性质，是粒子物理学的重要课题，也是验证「超对称理论」成立与否的直接挑战。这也将确立「超对称理论」在建构「大统一力场理论」时所扮演的角色，以及确证中性伴子是否为构成暗物质的一种来源。
二、我们的星空
1 、解开暗能量的奥秘
宇宙中充满的「暗能量」使宇宙得以持续加速膨胀，似应有一能解释这机制的量子理论做后盾。就目前所知，「暗能量」可能和提供物质质量的「希格斯场」有关。
美国于 2001 年发射的宇宙微波探测卫星（ WMAP ），主要的目的在观测宇宙诞生时就产生而至今仍能被记录的微波辐射。由这个卫星搜集到的数据，显示：
科学家迄今并不确知暗能量是甚么？为何存在？如以微观的基本粒子真空能量去概估暗能量，其数值将达宇宙中能被观测到的可见总能量的 10120 倍。如此巨大差异，显见仍有一些尚未明了的过程会消耗掉大部分的真空能量，让剩余的少部分能量来加速宇宙的膨胀。目前物理上以「希格斯场」理论来解释粒子具有质量的事实，如无「希格斯场」，则电子会以光速奔驰，原子也会立即解构。「暗能量」是否和「希格斯场」有关？如能确证粒子的超对称性，则将提供「暗能量」与「希格斯场」间关联性的重要左证。
科学家长久以来，就认为太空并非真的空无一物，至少充满了能给粒子质量的「希格斯场」。不久的将来，等到日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机开始运转，并进行实验后，预料将可验证理论上担任传递作用的希格斯玻色子是否存在。如能证实「希格斯场」的存在，势将开启涉及一系列新粒子及其交互作用关系的物理研究新阶段。若再配合新的高能线性加速碰撞设备，将成为探索与「希格斯场」有关物理领域的重要研究工具。
暗能量可能和「超对称」及「希格斯场」都有关联，似乎更加重了科学家对「希格斯场」物理领域和量子理论相容的期待。如能经实验证明，会成为探索暗能量来源的基础。
2 、 更多维度的空间
弦论预测：除当前已知的四维时空外，尚有七维空间未被发现，因而使粒子物理显得较为复杂。如能证实这些额外维度的空间确实存在，将是人类历史上划时代的大事，除改变对宇宙起源及演化的了解外，也可能重塑我们对重力的固有观念。
弦论是假设 所有已知的作用力及基本粒子，都由单一的对象称为「超弦」者，在处于不同振动态下表现出来的。藉此使爱因斯坦殷盼用来描述宇宙中小至极小的基本粒子、大至宇宙整体的「大统一场论」，得以迈出重要的一步。弦论建构的精密数学推演，使微观的量子理论与宏观的宇宙学得以用一致的模式来表现。
「超弦」存在吗？它或许太小而难以直接观测，但可藉由验证弦论所预测的若干事项来做判断。例如弦论包含了超对称理论，并预测有七维尚未被发现的空间，因此要验证弦论的正确性，须寻找额外的维度空间，并探索其性质，了解其维数、形状及大小，它们为何及如何隐匿起来，以及新的空间维度涉及哪些新的基本粒子等。
额外维度空间的物理效应，取决于其大小及形状，以及何种物质及作用力可以进入该空间。虽然至今尚无法知道这些空间的大小，但似应与粒子物理的基本能量尺度有关，包括宇宙尺度、暗能量密度、以兆电子伏特计的电弱尺度、或最终大统一理论的尺度。科学家固然可由宇宙观测所发现的不一致性，或短期精密重力试验所得数据，来推论额外维度的空间应属宏观尺度的规模，但这些额外维度空间也可能属微观尺度的规模。
3 、 基本作用力的来源
追本溯源，宇宙所有的基本作用力及粒子可能互有关联，且所有的作用力可能源自单一的「大统一作用力」的各种不同表现。如经证实，则爱因斯坦生前期望的「大统一场理论」将得以实现。
目前量子理论已能用极相似的数学模式，来描述重力以外的电磁力、弱力及强核力三种已知的大自然基本作用力。如经证实确有单一的「大统一力场」，则这力将建立起夸克和轻子的关联性，并可预测不同粒子间转换的途径。这个「大统一力场」最终可能会使质子衰变成稳定的其它物质。
「大统一力场」是否存在的重要线索，可能来自实验室中对极稀少的微小粒子的衰变侦测，其它罕见演变过程的观测，以及对极高能粒子的精密量测。由于不确知线索会出现在何处，因此多面向的实验研究有其必要。
4 、 为何有众多的基本粒子
为何已发现的夸克及轻子，都各有三组家族成员？为何各组相对应的成员间，彼此的质量差异颇大，但其它物理性质如带电量、自旋等则相同？各粒子的功能、角色为何？宇宙中全部基本粒子共有几种？能否找出规则，把所有基本粒子依序排列，如同把化学元素排列成周期表一样？或许各种基本粒子只是「超弦」不同样态的表现，也或许各种粒子可藉「大统一力场」或其它尚未明了的自然法则，来建立彼此的关联。
物理学家至今已确认 57 种基本粒子，量子理论已证明：粒子标准模型中，欲产生「电荷宇称破坏」，至少需有三组粒子家族成员，而「电荷宇称破坏」是形成现今宇宙由正物质而非反物质居优势的必要条件。不过至今科学家由观测宇宙现象所得的数据，尚不足以解释正物质胜过反物质的全貌。目前各项粒子物理的实验工作，集中于对已发现的各种基本粒子做更详细的探索研究，以了解其性质，并搜寻 3 组粒子家族间的差异。
5 、 暗物质究竟是何物
宇宙中大部分物质属未知的暗物质，它可能是宇宙诞生时产生的各种重的粒子，这些粒子中的大部分，在宇宙演化过程中和其反粒子结合而湮灭，转换成纯能量，只剩下少部分留存下来，构成现今宇宙中的暗物质。这些暗物质的粒子，质量似不致太大，应有机会藉实验室的高能加速器制造出来以供研究。如无暗物质，宇宙的质量将不足以凝聚形成星系、银河，也就不会有生命的诞生。虽然在 1930 年代就有人提出暗物质的说法，但近十余年来的研究才有更具体的进展。
近年来对宇宙构造的观测，证明暗物质不同于人类在实验室中曾发现、探索过的任何已知物质。新理论中的粒子，如超对称理论所预言的一系列超伴子，它们和其它一般物质间的相互作用非常微小，就可能是构成暗物质的粒子。目前的研究是藉由置于地底下深处坑道中的侦测设备，来探测宇宙诞生后所残余的暗物质高能粒子，或利用实验室的高能粒子加速器制造可能的暗物质粒子，以探究其性质。
暗物质存在的左证，最先是由观测宇宙星系团的旋转曲线，发现其质量大于该星系团星体质量的总和，而推论出来的。后来，从观测遥远太空中，光受质量影响而产生偏移现象的所谓重力透镜效应，再度得到证明。最明确的证据，则来自对宇宙微波背景的观测及分析，各项分析结果都显示，已知的物质约只占宇宙全部物质的不到 5 ％。
