我们对宇宙的认知将会在未来50年内发生巨大变化

早在1900年时，著名物理学家开尔文勋爵在英国科学进步协会发表演讲时曾说：“现在物理学已经没有什么新发现了。”结果，他的预言错了，在接下来的一个世纪，天文物理学发生了颠覆性的发展，大量的理论和实验发现改变了我们对宇宙以及人类在宇宙中所处位置的理解。

然而，这个宇宙对我们来说依然还有许多未解之谜——现在，新技术的发展将帮助我们在未来50年内解决它们。

首要的问题是我们的生存基础——我们的地球、周边环境、物质是如何形成的？

我们生活在一个由物质构成的世界，根据物理学预测，在宇宙诞生时，大爆炸产生的物质和被称为“反物质”的物质在数量上是相等的。它们就像是一对对孪生兄弟，但却携带相反电荷。一旦这对孪生兄弟碰面，它们会相互湮灭，所有的能量都会转化为光。

结果是，这个过程中少量物质留存下来形成当前的宇宙，而反物质却几乎“看不见了”。这又是为什么呢？

反物质湮灭

但今天的宇宙几乎完全是由物质构成的，那些反物质都去哪儿了？

大型强子对撞机（LHC）为研究这个问题提供了一些线索。它能将质子以难以想象的速度碰撞，产生物质和反物质的重粒子，这些重粒子会衰变为较轻的粒子，其中一些粒子以前从未发现过。

大型强子对撞机的试验显示，物质和反物质的衰变速率略有不同。这就可以解释为什么我们看到的自然界存在着这种不对称性。

LHC中的例子碰撞

问题是，与物理学家所习惯的精密度相比，大型强子对撞机就像用网球拍打乒乓球一样“不太靠谱”。由于质子是由更小的粒子组成的，这使得当它们碰撞时，在碎片中发现新的粒子变得更加困难。人们很难准确地测量它们的性质，以获得更多的线索来解释为什么如此多的反物质已经消失。

但是，未来会有三个新的对撞机将在几十年后改变目前的游戏规则了。其中最主要的是环形对撞机（FCC）——在一条环绕日内瓦的100公里长的隧道，将使用27公里长的大型强子对撞机作为滑道。环形对撞机将采用以比大型强子对撞机更高的速度将电子及其反粒子、正电子碰撞在一起。

环形对撞机

与质子不同，电子和正电子是不可分割的——因此我们将确切地知道在碰撞什么，甚至还可以改变两个粒子碰撞的能量，以产生特定的反物质粒子，并更准确地测量它们的性质——特别是它们的衰变方式。

这些研究将很大可能揭示新的现象，创建全新的物理学理论。一种可能性是，反物质的消失可能与暗物质的存在有关（暗物质是迄今为止无法探测到的粒子，占宇宙质量的85%）。反物质的缺乏和暗物质的普遍存在可能是由于大爆炸期间的条件，所以这些实验将会直接探索我们这个世界存在的起源问题。

虽然无法预测新型的对撞机实验中隐藏的发现将如何改变我们的生活，但是可以通过上一次的发现来类比——在发现了亚原子粒子和量子力学的世界后，目前世界正处于由其引发的对计算、医学和能源生产等领域的技术革命中。

也许我们会不再孤独？

在宇宙尺度上还有许多有待发现的问题——尤其是我们是否在宇宙中是孤独的这个古老问题。尽管最近在火星上发现了液态水，但还没有任何微生物生命的证据。即使被发现，这颗行星恶劣的环境也意味着它仍处于极其原始的最初阶段。

到目前为止，在其他恒星系的行星上寻找生命的研究尚未取得成果。但是詹姆斯·韦伯太空望远镜将彻底改变我们探测宜居系外行星的方式。

与以前的望远镜不同（以前的望远镜测量的是一颗绕轨道运行的行星经过恒星时恒星光线的倾角），詹姆斯·韦布将使用一种称为日冕仪的仪器来阻挡恒星进入望远镜的光线。这与用手挡住阳光进入眼睛的方式大致相同。这项技术将使望远镜能够直接观察通常会被其环绕的恒星的明亮眩光淹没的小行星。

詹姆斯·韦伯望望远镜的全尺寸模型

詹姆斯·韦伯望远镜不仅能够探测到新的行星，还能够确定它们是否能够维持生命。当恒星发出的光到达行星的大气层时，某些波长被吸收，在反射光谱中留下间隙。就像条形码一样，这些间隙为构成类似地球大气层的原子和分子提供了特征和线索。

望远镜将能够读取这些“条形码”，以检测行星的大气层是否具备生命的必要条件。这样，没准在50年后，我们会根据它的观测，来确定星际空间任务的目标，以及那里可能居住着什么“人”。

在我们周围，木星的卫星——木卫二已经被认定为太阳系中可能孕育生命的地方。

木卫二 Europa

尽管它的表面温度很低(约−220°C），但是由于木星的超大质量带来的行星引力，可能会使它地表下的水充分晃动，以防止其结冰，从而使其成为微生物甚至水生生物的“家园”。

木卫二和地球、月球

一项名为“欧罗巴-克利伯”的新宇宙探测任务将于2025年发射，该任务将确认木卫二是否存在地下海洋，并为后续探测任务确定合适的着陆点，还将观察从行星冰冷表面喷出的液态水射流，以确定是否存在有机分子。

无论是最微小的组成物质，还是浩瀚的太空，仍然有许多谜团等待我们探索，但在50年后，借助新的探索工具，人类对宇宙的认知可能会发生根本性的变化。