第三章 謎團
1.冷暗物質之謎
從原子物理到原子核物理，再到今天的粒子物理，物理學的日臻完善已經能夠很好地解釋許多諸如複雜的天體運動本質的自然現象。宇宙學模型認為，宇宙大爆炸後經曆了超高能、高能、低能過程，對應的物理規律也符合大統一、弱電統一和量子色動力學，宇宙大爆炸及其演化所產生的粒子則遵循這些規律。然而，在宇宙中還可能存在著一些弱作用冷暗物質粒子，它們的形成及運動規律是現有粒子物理模型所不能解釋的，於是科學家們又提出了超對稱粒子物理模型。現代天文觀測和爆炸宇宙論的研究表明，宇宙中的物質絕大多數是暗物質，而暗物質中大多數是由冷暗物質粒子組成的非重子暗物質，現在普遍的看法認為，這種冷暗物質粒子在宇宙中的含量超過20％。戴長江研究員介紹說，盡管目前實驗室還不能對這種新物理模型假說提供有力的證據，但超對稱粒子物理模型能很好地解釋宇宙螺旋星係中星雲旋轉速度幾乎不隨星雲盤徑向的距離而改變以及在星係空間氣體輻射的x射線觀測中發現的氣體平均速度大於其逃逸速度。自1985年以來，宇宙中暗物質的研究已成為天體物理、粒子物理和宇宙學的交叉熱點，其中對冷暗物質粒子——超對稱粒子的觀測研究是當今非加速器物理實驗最熱門的課題之一。
2.科學家追蹤宇宙不明冷暗物質
一個由來自中國科學院高能物理研究所、清華大學、中國原子能研究院等9家單位近25名專家組成的合作小組已經成立，他們在我國開展一項目前世界天體與粒子物理及宇宙科學界高度重視的最熱門課題研究：追蹤一種可能是宇宙早期爆炸後遺留至今的弱作用重粒子——超對稱粒子。曾任該項目合作組中方首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員戴長江說：“一旦經過科學的重複證實這種弱作用重粒子確實存在，將極大地支持超對稱粒子模型。不管最終結果如何，對這種新粒子的尋找對於粒子物理、天體物理及宇宙學的發展具有重大的科學意義。”
3.冷暗物質之爭
美國、法國、日本等科技大國的物理學家正在夜以繼日地觀測研究宇宙冷暗物質，如西歐核子中心(ISC)正在建造一個大型超高能粒子加速器，以捕捉和觀測宇宙中可能存在的超對稱粒子。與此同時，一個目標相同但采取自然觀測以降低實驗成本的科研小組在經過了600天的觀測後，已經得到了能夠證實超對稱粒子確實存在的初步證據，這個科研小組由意大利羅馬大學牽頭，中國科學院高能物理研究所由於在實驗方法技巧、數據係統處理、電子插件研製等方麵具有優勢，1992年在法籍華人陶嘉琳女士的促成下成為重要合作單位之一。
該科研小組研製了100千克放射性很低的碘化鈉晶體陣列，用於在自然界直接尋找相互作用極弱的超對稱粒子。為了防止宇宙線的幹擾，他們將實驗設備安裝在意大利格朗薩索國家實驗室中，這個實驗室位於岩層厚度達1000米的阿爾卑斯山脈下的一個山洞中，可以很好地屏蔽宇宙線。在對1996年至1999年累計達600天的有效實驗數據進行分析後，該實驗小組獲得了3個周期的年調製效應，顯著性近4倍標準偏差，種種跡象表明，宇宙中可能存在超對稱粒子。他們甚至還估計出了這種超對稱粒子的質量和流強上限。
正如美國南卡羅來納大學的物理學家弗蘭克·阿維尼奧內所評說的：“如果這一發現屬實，無疑是具有諾貝爾獎水平的。”當意中科研小組對外公開他們的發現時，在科學界自然引起軒然大波。日前，美國斯坦福大學的物理學家們對外宣稱也進行了一項捕獲宇宙中弱作用重粒子的實驗，“但結果可能與意中科研小組的研究成果相抵觸”。在隨後舉行的第四屆宇宙暗物質來源及探測國際研討會上，意大利羅馬大學的科學家代表駁斥了斯坦福大學的結論，認為：“兩項實驗之間存在的實質性區別以及弱作用重粒子的未知屬性可能意味著我們最終也許會發現兩項實驗的結果都是正確的。”
4.冷暗物質之夢
戴長江研究員這樣描述這種未知的超對稱粒子：質量至少是質子的50倍，由於和其他物質發生相互作用的概率很低，能夠幾乎不留痕跡地經過其他物質。他說：“我們現在要和時間賽跑，和世界上眾多的科研機構競爭，一旦證實宇宙中真的存在這種用常規方法觀測不到的冷暗物質粒子，對爆炸宇宙學模型和超對稱粒子物理模型將是一個強烈的支持，也就把我們對客觀規律的認識大大向前推進了一步。”
由於這種冷暗物質粒子具有弱作用的特性，因此要在實驗室裏記錄和捕捉它極其困難。戴長江研究員介紹說，目前，科學界一般用兩種方法來探測它，一是間接法，采用地下大型的中微子探測器或空間磁譜儀等規模大、接收度高的設備，通過探測正反超對稱粒子湮滅所產生的次級粒子來確認，但此法由於中間過程多，待定參數也多，較難獲得準確的觀測結果；二是直接法，即直接探測超對稱粒子經過實驗晶體陣列時留下的極其微弱的作用，此法由於成功的概率很低，因此需要研製相當規模的高靈敏度的探測係統和開發相應的實驗技術方法。
據了解，目前意中科研小組已將用於記錄超對稱粒子弱作用的碘化鈉晶體陣列由100千克擴大為250千克，仍由兩國合作繼續日夜不停地觀測。我國在國家自然科學基金的支持下，由戴長江研究員組織，也已成立了由來自中國科學院高能物理研究所、清華大學、中國原子能研究院等9家單位的25名專家組成的科研隊伍，準備采取另一種500千克二氟化鈣晶體陣列探測係統去進行觀測鑒定，實驗地點有可能選在北京航空博物館或京郊某一大山洞中。戴長江研究員樂觀地說：“如果進展順利，估計3年內我們會拿出一個確切的結果來。”
看來，這的確是值得期待的事情啊。
星雲
當我們提到宇宙空間時，我們往往會想到那裏是一無所有的、黑暗寂靜的真空。其實，這不完全對。恒星之間廣闊無垠的空間也許是寂靜的，但遠不是真正的“真空”，而是存在著各種各樣的物質。這些物質包括星際氣體、塵埃和粒子流等，人們把它們叫做“星際物質”。
星際物質與天體的演化有著密切的聯係。觀測證實，星際氣體主要由氫和氦兩種元素構成，這跟恒星的成分是一樣的。人們甚至猜想，恒星是由星際氣體“凝結”而成的。星際塵埃是一些很小的固態物質，成分包括碳合物、氧化物等。
星際物質在宇宙空間的分布並不均勻。在引力作用下，某些地方的氣體和塵埃可能相互吸引而密集起來，形成雲霧狀。人們形象地把它們叫做“星雲”。按照形態，銀河係中的星雲可以分為彌漫星雲、行星狀星雲等幾種。
彌漫星雲正如它的名稱一樣，沒有明顯的邊界，常常呈不規則形狀。它們的直徑在幾十光年左右，密度平均為每立方厘米10～100個原子(事實上這比實驗室裏得到的真空要低得多)。它們主要分布在銀道麵(HOTKEY)附近。比較著名的彌漫星雲有獵戶座大星雲、馬頭星雲等。
行星狀星雲的樣子有點像吐的煙圈，中心是空的，而且往往有一顆很亮的恒星。恒星不斷向外拋射物質，形成星雲。可見，行星狀星雲是恒星晚年演化的結果。比較著名的有寶瓶座耳輪狀星雲和天琴座環狀星雲。
這些星雲是宇宙中的重要組成部分，我們研究天體的時候，可千萬不要忽略了它們的存在啊。
核動力火箭
20世紀50年代，隨著和平利用原子能的呼聲日益高漲，原子火箭發動機應運而生。法國人設計了以水為工作物質的原子能火箭，它靠核反應堆產生的熱量將水汽化，高速噴射出的水蒸氣能使星際飛船逐漸加速。火箭要噴出5000噸的水才能在50年內把飛船送往最近的恒星——比鄰星(距地球4．22光年)。
一般化學火箭的結構質量占總質量的6％～10％，有效載荷僅占1％；而原子能火箭的結構質量占總質量的12％～15％，但有效載荷可占總質量的5％～8％。以氘為燃料的核聚變火箭，排氣速度可達15000千米/秒，足以在幾十年內把宇宙飛船送到別的恒星。
聚變比裂變放出更大的能量。在一個核聚變推進係統中理論上每千克燃料能夠產生100萬億焦耳能量——比普通化學火箭的能量密度高一千萬倍。核聚變反應將產生大量高能粒子。
用電磁場約束這些粒子，使之向指定方向噴射，飛船就可以高速前進了。為安全起見，核飛船至少應在近地軌道組裝。為利用月球上豐富的氦資源，月球也是理想的組裝發射地。此外也可以在拉格朗日點(此點處的物體在繞地球運轉的同時保持與月球相對距離不變)處完成組裝，原材料從月球上用電磁推進係統發送。
神秘能量
近些年，天文學家發現了一種控製宇宙的神秘能量——暗能量的最新證據，這種暗能量可能占宇宙總能量的2／3，它正在把宇宙中的星係及星係中的一切以史無前例的速度相互分離。
這些年來，科學家們一直在尋找宇宙不僅正在膨脹，而且正在加速膨脹的原因。有人認為，是神奇的暗能量在遠距離上把物體推開，從而克服了引力的局部作用。
最近，英國曼徹斯特大學伊恩·布勞內領導的一個國際天文小組為神秘的暗能量的存在提供了新的證據。這些科學家觀察到，來自遙遠而明亮的類星體的光被彎曲後形成了若幹個類星體的圖像，圖像的數目和途中存在的星係所形成的引力透鏡數目不相符合，由此科學家斷定，途中必定存在我們看不見的其他物質，從而證明了宇宙中確實存在暗能量。
引力透鏡現象是由於來自遙遠星係的光在到達天文望遠鏡之前，會被途中的其他物體的引力所彎曲，和通常的透鏡折射光相似。
據報道，該天文小組的一位科學家使用包括宇宙年齡在內的參數和引力透鏡源的可能數目，計算被引力透鏡折射的類星體的數目。他發現這一數目大約是沒有暗能量存在的情況下類星體圖像數目的兩倍。
因此他推算出，宇宙的2／3必定是由暗能量組成的。
剩下的1／3由暗物質(它的形態至今還不知道)和組成星球與行星的常規物質構成。所有這兩種物質的引力是正常的引力，即通常的萬有引力。
而暗能量與它們相反，具有長距離的反引力性質。與神秘的暗物質一樣，目前科學家們並不知道暗能量究竟是什麽，但這些新的結果增加了暗能量存在的可信度。現在科學界普遍相信，它是宇宙加速膨脹的原因。
這一新的引力透鏡試驗建立在和過去完全不同的物理論據上，所以它提供的支持暗能量存在的證明是獨立於其他證明的。
由於通過引力透鏡形成的類星體圖像通常挨得太近，這個天文小組使用了世界上最強大的射電天文望遠鏡陣列，得到了上千個類星體的無線電照片。他們之所以選擇射電天文望遠鏡，是因為它們能把細節放大許多倍，比光學望遠鏡甚至哈勃天文望遠鏡看得都清楚。
暗能量這個說法直到1998年才出現在天文學領域裏。當時，兩組天文學家對遙遠的星係中正在爆炸的星球即超新星進行觀察，發現超新星比他們認為的暗淡。這意味著它們的距離比科學家原來認為的更遠了。
造成這種情況的唯一解釋應該是，假設宇宙的膨脹在過去的某個時間加速了。天文學家在這之前一般認為，由於單個星係相互作用造成了引力拖拽，宇宙膨脹是逐漸減慢的。但是對這個超新星的觀察結果表明，有某種神秘的力量在對抗引力的拖拽，使星係以前所未有的加速度相互遠離。
起初，其他科學家對這個結果表示懷疑。也許超新星變暗是因為它們的光被星際塵埃雲擋住了，也許超新星本身的光就比科學家所認為的暗。但是經過仔細檢查，所有這些解釋都被擱到了一邊，暗能量的假說出現了。
其實，有關反引力的想法並不新鮮。早在八十多年前，愛因斯坦就已經把這種反引力效應以所謂的宇宙常數的名義包括在他的廣義相對論中了。當時，愛因斯坦為了不使星球由於相互問的吸引力而擠到一起，設想宇宙中應該還存在一種排斥力，它與引力相對抗，從而使宇宙保持穩定。他把這個排斥力稱為宇宙常數。
20世紀20年代，哈勃發現宇宙並非靜止不動，而是在不斷膨脹。
愛因斯坦便放棄了他發明的這個宇宙常數，並稱這是他“一生中最大的錯誤”。因為愛因斯坦本人和後來的許多天文學家都把這個宇宙常數隻看作是數學上的假設，而不認為它和實際的宇宙有多少關係。直到20世紀90年代也沒有人想到過這個效應會變成現實。
可現在暗能量的發現證明這個排斥力確實存在。看來，如果愛因斯坦還活著，也許他就會承認放棄宇宙常數是他一生中第二個最大的錯誤。
有關暗能量的探討十分玄妙。有人認為暗能量是從宇宙真空中滲透出來的。有實驗表明，真空似乎並不是空無一物，而是一些虛粒子在時生時滅地冒泡泡。而另一些天體物理學家則說，暗能量隻不過是宇宙的基本特征，試圖解釋它，就像解釋為什麽地球離太陽的距離剛好適合孕育生命一樣徒勞。
光帆
中國古代的紙鳶無法和現在的超音速飛機同日而語，今人設想的噴射式推進係統也不能和未來實際的星際飛船相提並論。相對於核動力火箭來說，以下幾種進入太空的方法更有可能在未來的星際飛行中使用。
15世紀地理大發現時期，西歐的水手們揚帆遠航，駛向傳說中的大陸。未來的星際航行恐怕還要借助“帆”這種古老的工具，隻不過驅動“太空帆”的不是氣流而是光。早在120‘世紀20年代，物理學家就已證明電磁波對實物具有壓力效應。1984年，科學家提出，實現長期太空飛行的最佳方法是向一個大型薄帆發射大功率激光。這種帆被稱為“光帆”。它采用圓盤狀布局，直徑達3．6千米，帆麵材料為純鋁，無任何支撐結構，其最大飛行速度可達到光速的十分之一。在搭載1噸的有效載荷時，飛抵半人馬座的a星僅需40年或更少的時間。以這個速度，太空船可以在兩天內從太陽飛到冥王星，但要是飛越另一個太陽係並對其進行考察，這速度顯然太低了。
為了進行詳細的考察，可以采用“加速——減速”的飛行方案。這時光帆直徑取100千米，使用功率為7．2×10＼+坦瓦的激光器向它發射激光。在減速階段，將有一個類似減速傘的小型光帆被釋放出來。它把大部分激光向飛船的前進方向反射，以達到製動的目的。
雖然要求較高，但較其他形式的星際飛船而言，光帆是在技術和經濟上最容易實現的方案。根據估算，在使用金屬鈹作為帆麵材料時，飛到半人馬座a星的總費用為66．3億美元。這隻相當於阿波羅計劃投資的1／4。