Invisible Forces that Shape Our Reality ⚛️ How the Universe Works | Science Channel

中微子能揭示超新星如何爆炸，也能在恒星即将爆发时发出预警。探测到突然的中微子爆发，可能意味着某处有恒星已经发生超新星爆发。

中微子爆发被比作宇宙的看门狗，提醒我们宇宙中正在发生危险而剧烈的事件，是某种麻烦正在发生的信号。

太阳系被比作一桩天体悬案，隐藏着剧烈过往的痕迹。如今看到的现场已经冷却，只能寻找45亿年前发生什么的细小线索；没有时间机器，证据难寻，但有时运气会帮忙。

没有时间机器时，时间胶囊可以替代，早期太阳系的时间胶囊就是陨石。多数陨石是落到地球的小行星碎块，形状大小因来源而异；小行星像太空化石，形成于45亿年前却基本保持死寂，是行星形成后尚未变成行星的残余。

要理解陨石为何是有用线索，需先了解行星形成的吸积过程：太阳周围炽热气体云凝结成越来越大的天体。陨石中的微小矿物珠球粒记录了该过程，多数球粒由太阳周围热气体云凝结而成，被称为 fiery rain 的固化液滴，说明小天体如何聚合成大天体。

有些球粒不仅记录行星诞生，也记录其死亡。Gujba陨石同时含有硅酸盐球粒和铁镍金属球粒，十分罕见；金属球粒约在太阳系形成后五六百万年形成，当时盘中已无足够热气体生成球粒，只能由剧烈碰撞把硅酸盐和金属气化再凝结。

能产生Gujba金属液滴的天体必须大到拥有铁核。天体足够大时引力使其分异，重物质下沉成核、轻物质上浮，地球就是典型例子。Gujba证明当时已有分异成铁与硅酸盐的大行星体，它们以极高速度碰撞，把碎片重新抛回星云。

Gujba表明，太阳系形成仅五百万年后，分异行星已很普遍，它们频繁相撞。沿巨型撞击路径形成的行星，最后幸存者是由前几代死灰构成的怪胎。模拟显示，建造内太阳系至少需要30颗行星，但最终只有4颗幸存。

星系远看平静，近看却有从中心延伸数万光年的暴力疤痕。星系团Hydra A就是例子，多波段观测显示，疤痕来自星系核心类星体射出的两股巨大能量喷流，它们穿透星系并冲入太空，在周围气体中留下空洞。

类星体喷流的能量惊人：能把许多倍太阳质量的物质加速到接近光速，抛射到数十万光年之外。超荷电粒子被扭成紧密能量束，以数百万英里时速运动，加热到数万亿度；带喷流的类星体威力远超普通类星体，像横扫宇宙的死光。

System 3C 321在可见光下只是一对星系，但多波段观测显示，较大星系射出的巨大死光穿透较小伴星系并伸向太空。若处在喷流方向上，行星会被摧毁、恒星会爆炸。

喷流可穿越极远距离，已知最长喷流约1.4百万秒差距，而1百万秒差距约300万光年，因此端到端接近500万光年。

喷流最终撞上星系际介质，即环绕星系的稀薄气体膜，可延伸数十万光年并点燃该介质。撞击发出巨大冲击波，如Pictor A星系中形成两端蓬松如棉签的云团。

带喷流的类星体似乎很稀有，只有10%拥有喷流，原因尚不清楚。这些巨大喷流可被整个宇宙看到，但人们甚至还不真正理解它们如何产生，相关天体物理过程极其复杂。

目前最佳理论认为，喷流源于黑洞事件视界附近旋转的吸积盘。气体越落越快、越来越热成为等离子体，带电粒子运动产生磁场，磁场被旋转黑洞缠绕增强，把带电粒子沿磁极螺旋加速抛出，形成准直且极强的喷流，以99%光速射出，把引力能转为磁能再转为动能。

类星体本应需要数百万年才能启动，但最近探测到一个类星体在宇宙尺度的一瞬间就突然开启，这给天文学家带来新的困惑。

2016年科学家在距地球95光年处发现一个不绕恒星运行的微弱红外光源，只能是星际行星。次年观测显示它实为两颗各约木星4倍质量的行星互绕，每100年一周。

星际行星不绕任何恒星运行，这与行星绕恒星运行的传统定义不同。这对行星可能像木星一样是气态巨行星而没有表面；若它们非常古老，或许已有足够时间冷却并形成表面，但这一点尚不确定。它们会在星际空间的寒冷中永远漂流于黑暗，数百万年不见光照。

设想站在星际行星表面，景象十分奇异：没有太阳，四周只有夜空。其光照水平相当于地球上最黑暗的无月之夜，因为附近没有恒星照亮它们，它们只能在永恒的黑暗中穿越寒冷的星际空间。

物理学家现在认为银河系中可能有数十亿颗星际行星，平均每四颗恒星就对应一颗。如此庞大的数量引出关键问题：它们究竟为何存在，是自由形成，还是被逐出原有太阳系。

星际行星的起源答案可能是两者兼有。一些由从未真正成为恒星的气体团块形成，另一些则像普通行星一样在太阳系中围绕恒星形成。太阳系形成过程十分剧烈，行星有时相撞合并成一个天体，有时擦肩而过被彼此散射出去，从而被抛入星际空间。

星际行星本身寒冷不宜居，但2018年天文学家提出其卫星可能宜居。木星和土星的冰卫星靠行星引力潮汐摩擦生热维持液态水，与太阳无关。若星际行星保留了冰卫星，卫星表面下也可能有液态海洋，不需要恒星，靠行星供热。

黑洞家族已有超大质量、大质量、中等质量与恒星级黑洞，科学家又提出微型黑洞。黑洞定义是质量被压缩到极小空间、逃逸速度超过光速，质量可小到行星级别。把地球压缩到弹珠大小即可成为黑洞，这种密度人脑难以想象。

微型黑洞只能在极早期宇宙的极端条件下形成，当时少量物质可被压缩成黑洞，如今已无此条件。若存在，它们就是原初黑洞，年龄与宇宙相当，可能一直存留至今。

黑洞大小不重要，质量才决定引力效应。小质量黑洞因质量集中在极小体积，引力梯度更陡，反而更危险。探测器靠近超大质量黑洞可越过事件视界而不被立即撕碎，深入内部才被撕裂；微型黑洞则不同。

微型黑洞目前只是理论。多年来一些研究者持续关注，但至今没有证据支持其存在。

中微子意为微小的中性粒子，不带净电荷、体积极小，几乎不与物质相互作用，能穿过太阳和地球。太阳每秒产生约10万亿亿亿个中微子，每秒有600亿个穿过人的拇指指甲，人一生也感觉不到一个。它们以接近光速飞出太阳核心，如同堵车高速上穿行的摩托车。

中微子产生于恒星核心的核聚变：氢原子碰撞聚变为氦，释放光子与中微子。太阳核心的核反应每秒产生约10万亿亿亿个中微子，它们穿过约32.3万英里的太阳外层抵达表面，几乎察觉不到太阳的存在，再以接近光速奔向地球，绝大多数直接穿过。

中微子难以探测，物理学家称自己为粒子物理界的捉鬼者。地下探测器用大量氯原子捕捉少数与原子碰撞的中微子，中微子击中氯原子使其变成氩，再计数氩原子。但探测到的太阳中微子只有模型预测的三分之一，这被称为太阳中微子问题，意味着要么操作有误，要么物理有误。

缺失的三分之二并非消失，而是中微子在飞行中改变身份，即味变。中微子有三种味，太阳产生电子中微子，到达地球时可能已变成μ子中微子或τ中微子。调整传感器后探测到全部太阳中微子，说明太阳是健康的。味变需随时间发生，而只有无质量粒子才能以光速飞行且不经历时间，因此中微子必有质量，也就能产生引力、影响周围事物。

中微子是宇宙中最大的内向者，探测它需要大量原子集中一处。科学家在南极冰层深处建造IceCube，因为水是极好的中微子探测介质，南极冰盖是最纯净的水源。探测器宽3280英尺，约九个足球场长，含5000个传感器，周围水原子数量超过宇宙恒星总数。中微子击中冰原子后产生带电粒子，发出切伦科夫蓝光，类似音爆，可据此反推来源。

2017年9月22日，IceCube探测到一个中微子与水原子碰撞。被击出的带电粒子在冰中看似超光速，但这并不违反物理，因为光在冰等介质中会减速，其他粒子可以超过它，并产生切伦科夫辐射的蓝色光锥。高能中微子来自高能事件，如物质碰撞和爆炸，追踪蓝光路径可回溯其来源。

追踪该中微子，指向约60亿光年外一个星系，其核心是宇宙中最强大的天体之一：耀变体。耀变体是最大最胖的进食中的活跃超大质量黑洞，物质围绕黑洞旋转形成高能吸积盘，盘以每小时数百万英里旋转，为气体和尘埃粒子充能，并产生缠绕的磁场。

耀变体的缠绕磁场产生电场，电场沿磁场加速带电粒子，沿喷流释放大量粒子与辐射。喷流从黑洞两极喷出，是宇宙中最强烈的辐射源，且正对着我们。喷流是否直接产生中微子仍是谜：现在认为吸积盘来的质子等物质撞入喷流底部，巨大能量使粒子对撞产生中微子，喷流再将中微子流聚焦射向地球。仅探测一个中微子就能窥见河外天体内部。

中微子在早期宇宙中帮助物质战胜反物质并形成结构，但称量宇宙后发现中微子虽有质量且数量众多，也只可能构成暗物质的极小部分，无法解释暗物质的主体，因此科学家转向寻找全新的中微子种类。

已知中微子有三种味，但可能存在几乎不与物质相互作用的隐藏第四种味，即惰性中微子。它极难探测，却可能解开宇宙如何运作的诸多秘密，寻找它的第一步是证明其存在。

Fermilab团队用半英里长的短距离实验寻找惰性中微子：正常中微子需要足够距离才能变味，若短距离内μ子中微子数量减少，就可能是振荡成了惰性中微子。

实验发现到达探测器的μ子中微子比发射的少，提示发生了振荡，但数量比预期更多，可能是惰性中微子。其质量未知，若足够重且普遍存在，或可解释全部暗物质，但结果尚未被其他科学家验证。

早期宇宙一些年轻星系恒星形成原料异常充足，科学家认为答案在于自始控制气体流动的暗物质结构。2021年5月国际团队通过暗物质对光路的弯曲效应间接观测，发现看不见的暗物质在拉伸、弯曲光线。

团队用AI程序分析一亿个可见星系，寻找被扭曲的星系光。该算法能边学边用已有信息预测新结构，从而绘制出此前从未见过的星系间暗物质通道，显示宇宙网远比肉眼所见更复杂。

新的暗物质分布图显示，本地宇宙像鸟巢般布满隐藏通道，为星系输送气体。星系结构在宇宙网最密集的交叉点繁盛，因为多条纤维在此交汇、引力增强，星系团很可能从宇宙网中汲取物质。

宇宙网密集节点虽能输送气体促进恒星形成，但也会喂胖星系中心的超大质量黑洞，黑洞喷出的高能喷流和热风把气体吹出星系，导致恒星形成率骤降，形成无法再造星的猝灭星系，连接越密的星系死得越快。

银河系被认为处在星系形成的宜居带：它获得的气体足以维持恒星形成，又不至于多到喂饱中心黑洞、把气体清空。宇宙网决定了星系的生死，为混沌带来秩序，但如今其建造工程已经停工。

宇宙网在星系团尺度上停止生长，再没有更大的结构形成，说明有某种力量阻止了结构形成。回溯大爆炸：宇宙网靠暗物质引力搭建星系，但暗能量同时出现，一直沉默地存在于背景中。暗物质主导年轻宇宙，随着宇宙网扩张，纤维之间形成空洞，暗能量在空洞中不断累积，最终在五十亿年前压过暗物质的引力，纤维被拉伸断裂，星系建造冻结。

暗能量究竟是什么尚无定论：一种理论认为它从未形成，只是物理定律中的常数；也有物理学家认为它是虚空之力，空间或许更像一种有压力的物质。其最奇特之处是密度恒定，体积越大暗能量越多，因此空洞越大所含暗能量越多。它不随宇宙膨胀而稀释，如同水桶排水时水却凭空出现，持续充满新生空间。

按直觉，引力应把膨胀的宇宙拉回一点，但数据显示宇宙不仅持续膨胀，而且越来越快。为解释这一现象，标准宇宙学模型引入暗能量这一未知力量，它充满整个宇宙并把星系推开，如同松开被压缩的弹簧。暗能量是研究者遇到的最令人困惑的东西，人们不知道它由什么引起、如何行为、过去与未来如何，只是给它贴上了这个名字。

暗能量增强使宇宙网瓦解，直至时空被撕裂。未来星系加速远离，宇宙变暗，一切消逝。

我们其实并不知道宇宙的年龄。原本希望两套实验像从两端修桥一样在中间会合，但随着证据积累，两侧并未相遇，必须有一方让步。问题可能出在对早期宇宙图景的解读，即宇宙微波背景中隐藏的图案：CMB数据本身可靠，但它是对宇宙年龄的间接测量，依赖宇宙模型正确，而这一基础模型可能已经不够用。

标准宇宙学模型基于粒子物理与广义相对论，如同宇宙运作的说明书，多数情况下与观测吻合，却在一件事上吃力：宇宙从大爆炸膨胀至今，直觉上引力应把一切拉回，但数据显示膨胀在加速。模型靠引入暗能量来解释，若对暗能量的理解有误，模型及由CMB得出的宇宙年龄也会出错。

标准假设认为暗能量以相同强度推动宇宙膨胀，贯穿宇宙历史。但物理学家开始怀疑这一想法：也许在早期宇宙暗能量行为不同，对膨胀速率的影响比想象中大得多，从而动摇我们对宇宙年龄和各时期样貌的认识。这一理论被称为新早期暗能量。

新早期暗能量认为暗能量在极早期就已存在，但处于不同状态，如同水可因温度不同而为液态或固态，即相变。早期更活跃的暗能量让宇宙在开端膨胀得更快，使CMB与距离阶梯两种测量重新吻合：CMB给出的膨胀数值更高，年龄也与距离阶梯法一致，如同调整桥的一端让两端在中间会合。该理论仍有争议，但或可在CMB精细测量中被检验。

提出更激进的可能：放弃暗能量，质疑广义相对论。引力在日常和太阳系尺度上表现可预测，但在极小和整个宇宙的极大尺度上，人类可能还没有正确图景。爱因斯坦的引力模型百年来基本未变，但物理学不能把任何事视为理所当然。

Claudia de Rham 研究有质量引力理论，出发点是对爱因斯坦理论中引力无质量这一关键部分发问：如果引力有质量会怎样？携带引力的理论粒子是引力子，无质量则不受减速、可作用到无限远；若有质量，就像给引力子背上小背包使其缓慢减速，让极大距离上的引力稍弱，从而自然解释宇宙加速膨胀，无需暗能量。

约2037年将发射更大的引力波探测器LISA，由三颗卫星组成三角形编队、相距150万英里，绕地球运行，可捕捉更古老事件甚至宇宙诞生冲击波的低频引力波。若有质量引力子，引力波会比预言更慢到达；在收到信号前一切尚无定论，宇宙一向善于欺骗，只能等它给出答案。