暗物质、负质量、时空倒流……哪些科学实验会为我们打开通向未来的大门？

2017 年 8 月 30 日 中国物理学会期刊网 Ethan Siegel

作者：Ethan Siegel

翻译：Alex Yuan

审校：Propagator

阿尔法磁谱仪实验是在重力场中测量中性反物质行为的最精确的实验。这些精确的实验结果，可能打开了令人难以置信的新技术的大门。

瞬时通讯、星际飞船、回到过去，这些梦想常常存在于科幻小说之中。尽管实现它们远远超出了现有的技术水平，但从某种程度上说，它们代表了人类最伟大的愿景。不过，随着前沿科学领域不断开展的新的实验，某扇神奇的大门很可能在某个时刻为我们敞开。然而，随着在发现的边界进行的实验，有可能在任何时间开一个新的门。如果我们足够幸运，在未来的几十年，到21世纪即将结束的时候，人类的科技树会点亮哪些新的分支？

人类所设想的任何一种火箭都需要某种燃料，但是如果暗物质引擎被发明出来，那么在太空中任意穿梭便可以轻松获取燃料。

暗物质可能是一种无限的燃料，更重要的是，任何使用暗物质作为燃料的设备自身都不需要携带它。暗物质的性质可能是科学界最大的谜团之一。通过一些间接的观测，我们知道它确实存在并且含量丰富。如果将一个星系中所有的暗物质加在一起，它们的质量是星系中其它普通物质的五倍。可以确定的是，构成暗物质的粒子具有以下共同的属性：

• 有质量；

• 不带电荷和色荷；

• 具有万有引力；

• 在某种程度上应该能够与自身和或普通物质发生碰撞。

根据爱因斯坦著名的质能方程E=mc2，暗物质储存着巨大的能量，是所有普通物质的五倍之多。如果宇宙对我们足够友善的话，相信未来我们可以很好利用它们。

引力透镜下所展现的Abell 370星团的质量分布，图中两个巨大的光晕代表了两块弥散的质量分布，这就是两个分离的暗物质团块，它提供了Abell 370星团是两个相对较小的星系团合并而成的证据。

有很多寻找暗物质与正常物质碰撞、暗物质与其自身碰撞的实验。一般而言，宇宙中的粒子被分为两类：费米子（具有半整数自旋）和玻色子（具有整数自旋）。如果暗物质是玻色子，那意味着它最有可能是自己的反粒子，这意味着如果你能有两个暗物质粒子并使它们彼此相互作用，那么它们将会湮灭，并且产生“纯粹”的能量。换句话说，这是一个免费的、无限的能量来源。并且由于暗物质无处不在，你甚至不需要随身携带。当你听到有关寻找暗物质的实验时，请记住，我们的终极梦想是得到无限免费的能源。

电影《星际迷航》中的曲速场的示意图，它缩短了前面的空间，同时延长了后面的空间。

反物质可能具有负质量，这意味着它可能是曲速引擎的关键。如果你想去星际旅行，传统的能源和燃料的能力只能非常有限。换句话说，它们永远无法突破光速的限制。距离地球最近的类太阳恒星天仓五，它的附近很可能具有适宜人类生存的行星。而天仓五距离地球大约12光年，即便我们以光速从地球飞到天仓五，然后立即给地球发回信息，这一来一回就至少需要花费一代人的时间。但是，如果我们在星际航行的中缩短我们面前的空间，同时扩大我们背后的空间，那么我们可以更快地到达那里，这就是曲速的理念。1994年，天体物理学家Miguel Alcubierre为这个概念打下了坚实的理论基础。

对广义相对论的Alcubierre方案：使运动类似于曲速飞行。该方案需要负质量。

为了实现曲速引擎所需的时空状态，需要两件事情：大量的能量和负质量的存在。只有负质量才能以某种方式使时空变形，使曲速引擎变为可能，不过这也仅仅是一种推测。然而，我们从未过测量反物质粒子的质量。在引力场中，它们究竟是向上还是向下运动也尚未被最终确定。欧洲核子研究中心的阿尔法磁谱仪实验目前正在衡量反物质的引力作用以及它在引力场中的行为方式。如果答案是在重力场中向上运动，我们可能会得到负质量，进而得到曲速引擎。

用虚拟铁鸟工具模拟出来的离心机住宿模块（CAM）。CAM（离心机住宿模块）的Virtual Iron Bird工具是模拟人造重力场的一种方式，但需要大量能量，并且只允许一种非常特殊的有心力。真正的人造重力场将需要一些负质量的物体。

负质量也将使我们能够创建人造重力。电磁中学，正负电荷的存在使得我们能够操纵导体之间的电场，并且屏蔽它们之外的任何电场。重力，正如我们目前所理解的，只依靠正质量在起作用。然而，负质量的存在将使我们能够创造一个真正的零重力环境，如果我们正确配置，我们甚至可以创建一个人造重力场，场的大小我们可以任意调节。

穿越时空回到过去的想法来源于各种科幻小说。但是，如果我们宇宙中有封闭的类时曲线存在的话，那么穿越不仅仅是可能的，甚至是必然的。

一个旋转的宇宙可以让我们穿越到过去。讲个冷笑话，时间旅行不仅仅是可能的，而且是不可避免的——如果时间向前流逝也能算作时间旅行的话。随着物理学的发展，人们对空间和时间的理解从过去的分立，到现在统一为时空结构，物理学需要一些新的变革，来使得时间倒流成为可能。事实上，在空间上回到过去非常容易，就好比地球围绕太阳公转，每年都会回到同样的位置上，换句话说， “封闭的类空曲线”很容易实现。然而，要在时间上回到过去就没那么简单了： “封闭的类时曲线”在我们这个不断膨胀的充满物质的宇宙中是不存在的—— 除非我们的宇宙在旋转。

单独一个星系的旋转是不会产生封闭的类时曲线的，只有整个宇宙都在旋转才有可能。

在这种旋转的宇宙中，存一个精确的解，如果物质的密度和宇宙学常数具有某种特定的值，那么它就一定存在封闭的类时曲线。到目前为止，我们只对宇宙整体的旋转作出了一定的限制，但我们并没有排除这种可能。如果宇宙被证明真的是以特定的速度旋转，并且旋转速率与物质密度和宇宙常数值达成一个精确的平衡，那么完全可以实现时空的倒流。即将运行的WFIRST和LSST将会对宇宙的旋转进行大规模深入的研究，如果这种旋转真的存在，很可能将显露出端倪。

美国宇航局WFIRST卫星的将于2024年发射，它将为我们提供了最精确的暗能量测量，以及其它令人难以置信的宇宙发现。

总是有更多的奇异的可能性被科学所允许：物体的隐形传输，虫洞，超光速通信等等。它们需要一个意想不到却又能给出合理解释的实验方案。而我们也不得不去探索、寻找。科学不是一个只有结局的故事，我们学到所有的东西，然后就可以停下来。科学也许是一个持续连载的侦探故事，每个发现、每个数据点和每个实验都不可避免地会带来新的更深入的问题，带领我们不断前行。无论前方的路会是怎样，最重要的是还要想到一切可能性，并且在前进途中的每一步都要实现这些可能性。

原文链接：

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/08/26/ask-ethan-what-science-experiments-will-open-the-door-to-the-future/