未来数个世纪科技发展的种种可能性：超乎想象的前沿科学

dolcnews

作者：莫笑丶SISH
当罗威尔发现火星上沟槽状的地貌特征之后，“火星人”科幻小说受到大量人群追捧；当相对论、量子力学成为现代物理学的显学，时间旅行、平行宇宙又成为构建科幻剧情的重要工具；当航天科技方兴未艾之时，才刚刚走入太空的人类，已经开始幻想广袤宇宙中的无尽外星文明。

并可以自豪的声称：“我们的目标是星辰大海！”



我们这一代人，成长于震惊部的大多数人，对震惊的阀值已经提高很多。那些看似科幻的小说概念正在慢慢兑现，我们可以感受到别样的心灵震撼。

我们曾经苦盼多年杳无音讯的引力波，在2017年被激光干涉引力波天文台（LIGO）直接探测到之时，全世界天文学家都沉浸在一场新年狂欢的亢奋之中。

一束高功率激光，在长达4km的真空腔内往复反射数百次，构成一支测量时空的巨大尺子。



用于反射激光的镜面（又称测试质量） Credit： Caltech/MIT/LIGO Lab

它的干涉光斑若明若暗，整个大陆上车来车往的震颤、大气层底轻抚而过的海风、几千公里外的雷暴，甚至反射镜被激光照射时微小的形变……这个真实物理世界中的一切不安，都在试图吞没引力波带来的微小信号——那小于质子直径千分之一的时空伸缩。



激光干涉引力波天文台原理示意图。Credit： DeepAstronomy

引力波并不难想象，难以想象的是我们能够克服种种技术挑战，真真正正的探测到这几乎不可能探测到的微弱信号。

同样，以霍金为代表的一大批物理学家，早在上世纪六七十年代就已在理论上对黑洞的各种性质做了充分的推演，虽然人们迟迟没有见过黑洞的真容，但黑洞早就是天体物理学中被“默认”的设定。

但直到从夏威夷到西班牙、从格陵兰到南极点、从洛基山到安第斯的9架世界顶尖毫米波望远镜联合起来，组成横跨地球直径的“视界面望远镜”——



视界面望远镜项目合作望远镜分布图

把几千万光年之外超大质量黑洞周围极度扭曲时空中光子环绕形成的“光环”拍摄下来，我们才终于有了那种“眼见为实”的自信心，真正意义上把黑洞从一种“假说”变成了“事实”。



黑洞光环数值模拟Andrew Chael

黑洞本身，固然已经是“难以想象”的杰出代表，而为看到黑洞而克服的巨大技术挑战，更是令人难以想象。

不仅是这些已取得的重大科学进展令我们感到「难以想象」，很多时候，为了进一步推动科学发现的取得，科学界会提出非常极端的技术需求，那些或宏大、或意外的脑洞，同样令我们感到「难以想象」。

被视为21世纪天文学“世纪工程”的平方公里阵列（SKA）望远镜，就是绝佳的例子。

由成千上万小天线组成的SKA望远镜将以西澳大利亚中部荒漠、南非高原为中心，绵延数千公里，总接收面积达到1平方公里——那将是当今世界上最大的单口径射电望远镜、500米口径的贵州FAST望远镜的14倍。



SKA先导阵MWA，位于西澳（Credit： ICRAR）

无数小天线同时产生的数据洪流，让SKA一期工程每年产生的数据量高达300PB——相当于现在整个互联网流量的半壁江山。



SKA望远镜某个阵型下的UV覆盖（决定了望远镜灵敏度在不同空间尺度上的分布）

而它庞大的接收面积将带给我们的，将是无与伦比的灵敏度。当SKA一期工程建成后，我们将能对太阳周围数十光年内相当于机场雷达强度的信号源进行搜索、监听。

如果运气足够好，这可能是人类与地外文明「超时空接触」的真正开始。

一些天文学家有更大的野心，仅仅是地球大小的望远镜还不能满足他们。

为了对系外类地行星进行直接成像，一个天文学家小组提出了异常宏大的脑洞：把整个太阳当做引力透镜，构成一个恒星级的“望远镜”。

这架横跨太阳系的望远镜长达650个天文单位，这架望远镜的“后端设备”需要被发射到柯伊伯带之外的太阳系边疆才能完成观测。



太阳引力透镜望远镜想象图（Credit: Discover）

如果成真，这架望远镜的筹备和发射周期将长达数十年，全寿命周期以世纪为单位计算。

它将帮助我们完成对人类遥远未来新家园的惊鸿一瞥。

在大科学装置的国际竞赛中，“基建狂魔”中国没有缺席。

中科院高能物理所提出了备受争议的“环形正负电子对撞机”（CEPC）计划：这个设想中的地表最强加速器的周长约100公里，能把电子加速到250GeV，从而大量产生在粒子物理标准模型中依然面目不清的“希格斯粒子”，为夯实粒子物理学标准模型乃至产生新的突破奠定基础。



CEPC构造示意图（图源：中科院高能所）

当然，可能即便CEPC和它的升级版“超级质子对撞机”（SPPC）建成，我们仍然离找到物理学「大统一理论」万里之遥。目前较有希望成为大统一理论的「弦理论」的验证，据估计需要焦耳数量级的能量——那将比SPPC能产生的最高能量高接近40个数量级。

要说有什么东西是让人真正难以想象的，恐怕就是科学前沿领域这种动辄横亘数十个数量级的跨度吧，这种远离人类日常的认知鸿沟，是我们这种居于宇宙渺渺一隅的弱小生物那羸弱的大脑不得不面对而又难以逾越的屏障。