未来科技的13个密码

一 失踪的宇宙 我们仅能找到4%的宇宙 位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫附近的印第安人部落对人类和平与社会和谐有一个有趣的说法。根据他们的传统观点，生活中的困难和困惑皆根源于天上星星紊乱的排列或是星星的缺失。夜空中的宝石本可以帮助我们寻找宁静而满足的生活，但黑夜女神在漆黑的夜空用星星写下道德法则时，她身边的草原狼失去了耐心，将星星从碗里抛了出来，撒落于天空，引起了天上星座排列的紊乱和人类生活的混乱。 那些整夜在弗拉格斯塔夫凝视夜空的天文学家们也许可以从上面的传说中找到安慰。在弗拉格斯塔夫的山顶，天文学家们用望远镜观察星星的移动轨迹，但观察结果让他们陷入了深深的困惑。20世纪初，人们用弗拉格斯塔夫洛厄尔天文台的克拉克望远镜持续观察星空，结果有了现代科学史上*奇怪的发现——宇宙的大部分失踪了。 如果科学的未来依赖于奇妙的未知事物被发现，那么，宇宙会给我们很多惊喜。我们渴望知道，宇宙由什么组成以及它如何运行。换句话说，人们希望知道，构成宇宙的基本粒子是什么？引导这些粒子相互作用的力又是什么？这也是物理学家梦想的“终极理论”，一个关于宇宙组成和运行规律的简洁理论。现实世界，报纸、杂志和电视通常会给我们一种印象——人类几乎无所不知。不过，事实却恰好相反，现代科学知识远不足以让我们理解微观粒子及其相互作用力，“终极理论”的构建非常困难。 我们正生活在宇宙学的“黄金时代”——我们已知道了许多关于宇宙的知识，也知道了它如何演变为今天的状态。然而，我们对宇宙的主要成分却知之甚少。宇宙中的大部分组分似乎失踪了，具体一点，96%的宇宙失踪了。 我们发现，似乎存在一只“看不见的手”牵引着遥远星系中的星星，让它们停留在合适的位置，阻止它们飞向无垠的宇宙。根据我们的计算，这些“看不见的手”（被科学家们命名为“暗物质”）几乎占据了宇宙总质量的四分之一。遗憾的是，“暗物质”只是一个名字，我们并不清楚它究竟是什么。 同时，宇宙中还存在“暗能量”。当阿尔伯特·爱因斯坦发现质量和能量是同一事物的不同方面时，质能方程被创建出来——E=mc2。爱因斯坦在无意中提出了现代物理学中公认的、*尴尬的难题。暗能量是科学家们给这种幽灵一般的未知能量取的名字。暗能量加快了我们的宇宙扩张，在星系之间创造出了更多的“空旷”空间。使用爱因斯坦的方程作质能转换计算，你会发现暗能量的总质量竟相当于宇宙总质量的70%（爱因斯坦提出，质量和能量可以相互转换）。没人知道暗能量来自何处，它是什么，它是否会永远持续加速宇宙的膨胀，它是否会被*终耗竭。当讨论宇宙的主要组成成分时，人们发现，无人能知道更多。我们熟悉的世界是由原子组成的，但这仅仅是宇宙质量和能量的一小部分。宇宙的主要组成成分还是一个未解之谜。 我们是如何发现这个未解之谜的？这源于一个人对火星生命的痴迷。1894年，一位富有的马萨诸塞州实业家珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）迷恋上了一个想法——火星这个红色星球或许存在外星文明。尽管他遭到了同时代众多天文学家无情的嘲笑，洛厄尔仍决定去寻找无可辩驳的天文证据以支持自己的信念。他派人探查了美国的许多地方，*后选定了亚利桑那州的弗拉格斯塔夫作为完成这个任务的完美地点，因为这里的天气条件良好。在使用小型天文望远镜执行观察任务数年之后，洛厄尔从波士顿制造商那里购买了一个24英寸口径（在当时已属巨型口径）的折射望远镜，将它沿着圣达菲铁路运到了弗拉格斯塔夫。 由此，拉开了大天文时代的序幕。该望远镜花费了洛厄尔二万美元，被安置在马斯山顶一个壮观的、松林覆盖的穹顶之上，并以洛厄尔所痴迷的方法给予了夸张的名字：克拉克望远镜。该望远镜在历史上也获得了应有的地位——20世纪60年代，阿波罗宇航员**次用它来确认他们的月球着陆地点。而在此前的几十年，一个认真且保守的年轻人，维斯托·梅尔文·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）用它启动了现代宇宙学。 斯里弗1875年出生于印地安那州的一个农场。1901年，他在获得力学和天文学的文凭后不久，来到了弗拉格斯塔夫，成为了珀西瓦尔·洛厄尔的助手。由于斯里弗的一个指导教授的勉强推荐，洛厄尔在一个短期考察后勉强聘用了斯里弗。53年后，斯里弗从天文台台长的位置退休。然而，研究进展并不如洛厄尔所愿。 虽然斯里弗同情他老板对寻找火星生命的痴迷，但他对此并不太感冒。斯里弗更着迷于宇宙中运行的、由气体和尘埃组成的行星和恒星。在他那个时代，天文学家面临的*大难题之一是旋涡星云之谜。这些夜空中的微弱光芒被认为是由无数的星星聚集而成。哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）将其称为“宇宙岛”。也有人认为，这些旋涡星云不过是遥远太空中的行星系统而已。 1917年，阿尔伯特·爱因斯坦在对宇宙的运行方式作总结性描述时，他急需知道一个实验结果才能完善自己的理论。他想问世界各地的天文学家——宇宙到底是在扩张？还是在收缩？抑或维持原状？ 爱因斯坦的方程描述了时空关系（空间的三维结构与时间共同构成了我们的宇宙），关系如何构建有赖于宇宙中物质和能量的多少。根据该方程计算，宇宙是膨胀或收缩与重力的作用相关。如要宇宙模型维持稳定，他不得不在方程中放入“反重力”，以对抗重力的作用。然而，爱因斯坦并不想这么做：质量和能量产生引力是可以理解的，但“反重力”的存在令人费解。 对爱因斯坦来说，不幸的是，当时的天文学家们一致认为宇宙的大小是不变的。爱因斯坦曾心情沉重地表示，“反重力”阻止了他理论中的宇宙的膨胀或收缩。由于该参数影响的是具有宇宙距离的事物，而非太阳系内的常见现象，它因而被称为宇宙常数。爱因斯坦抱歉地表示，“该常数不符合我们对万有引力的实际认识，仅是为了使方程与数据吻合。”可惜的是，那时，没人注意到维斯托·斯里弗的结果。 斯里弗一直使用克拉克望远镜测量星系是否相对于地球运动。为此，他使用了光谱仪，一种可以将望远镜收集的光线分解为组成颜色的仪器。通过观察来自旋涡星系的光，斯里弗意识到，星光颜色的改变与星系是接近地球还是远离地球相关。光线的颜色是由光线频率的不同而导致，电磁辐射每秒的振动次数不同。当我们看到彩虹时，实际上看到的是不同频率的辐射。紫光是一种频率相对较高的辐射，红色是频率相对较低的辐射，其他颜色光线介于两者之间。 ......