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1JULY2005VOL309SCIENCEwww.sciencemag.orgPublishedbyAAAS1宇宙是由什麼所構成的–查爾斯．席夫（CHARLESSEIFE）宇宙論者總是一而再地為宇宙的神秘與捉摸不定所牽引、困擾，甚至為它心神不寧。在15、16世紀，哥白尼、克卜勒和牛頓等人認為地球只是眾多行星之一，圍繞地某個天體運行，進而推翻了中古世紀普遍認為宇宙是一個封閉與微小的天文體系。1920年代，哈伯（EdwinHubble）指出，我們的宇宙正在不斷地擴張。此重大發現動搖了宇宙是永恆不變的觀念。在過去幾十年來，宇宙論者發現，現有構成行星、銀河，甚至人類的物質，還不及整體宇宙的5%。對於宇宙萬物的新體認，當下的科學家正面臨著一個關鍵問題：宇宙是由什麼所構成的？這個問題源自於多年來觀察的怪異結果。1960年代，天文學家發現銀河系迴旋的速度過快以致於無法單以恆星的重力來避免其飛散。似乎有某種看不見的東西使得這些恆星不至於飛離中心。這就是所謂的「黑暗物質」（darkmatter）。多年來，科學家們辨識出宇宙中某些黑暗物質。他們利用x射線望遠鏡隱約看到了這些物質以氣雲狀出現，或看到了黑暗物質樣似遙遠天體般閃爍劃過他們面前。科學家們也計算這些銀河中的無形物質所造成的時空扭曲。多虧了有關太初氣雲的豐富知識，物理學家認為望遠鏡僅能辨識出10％的一般物質。但是，就算將可辨識的「一般」物質乘以10倍也不足以說明宇宙是由什麼構成的。當天文學家利用功能強大的望遠鏡觀察天空，他們看到的只是宇宙的渾沌面貌。銀河並非規則地點綴著天空，而是以細薄的光絲和卷鬚交織在廣闊的天際。就正如那些能見物質並不足以讓銀河以正在黑暗中，黑暗物質將銀河緊緊聚集在一起；超新星的觀測卻驗證了另一股神秘的黑暗能量。1JULY2005VOL309SCIENCEwww.sciencemag.orgPublishedbyAAAS2常速度運行，這些一般物質也不足以說明這奧秘的宇宙。現在，天文學家認定，這些由另一種不明粒子所構成的黑暗物質，其引力必定與這浩瀚宇宙的結構有著重要關係。他們估計，在宇宙的組成中，神秘的黑暗物質約佔25％，是一般物質的五倍之多。相較於黑暗物質的奧秘，科學家對於另一個神秘議題更具興趣：黑暗能量（darkenergy）。1990年代末，那些研究遙遠超新星的科學家們發現宇宙向外擴張的速度並非如物理原理所預測的會緩慢下來，反而膨脹速度越來越快。是否有某些反重力（antigravity）的能量促使星系向外擴張？所有跡象都顯示答案是肯定的。關於各種天文現象的獨立觀測，涵蓋宇宙背景輻射（cosmicbackgroundradiation）、元素含量（elementabundances）、銀河星團（galaxyclustering）、重力透鏡(gravitationallensing)、氣雲特性（gascloudproperties），都指向一個一致、卻異乎尋常的宇宙面貌。一般物質和不明粒子僅構成其中約30%，其他成分就是這眾所皆知、充滿神秘感的反重力黑暗能量。這表示，在回答「宇宙是由什麼所構成的？」這個問題前，必須先處理三組更為複雜的疑問：第一組問題為「一般黑暗物質是由什麼所構成的？它存在於宇宙何處？」然而，天體物理學有關大量物質在星系間造成光線彎曲的相關觀測已經提供了可能的答案。第二個問題則是「何謂怪異的黑暗物質(exoticdarkmatter)？」科學家已有些頭緒，很幸運的是，在未來十年內，埋在地底深處的黑暗物質阱（adark-mattertrap）或高能原子擊碎器（atomsmasher）將有助於新型態粒子的發現。最後的這個問題——「何謂黑暗能量？」在過去十年不可能被提出。這個問題似乎超越了現有的物理知識，更甚於其他未被觀測到的天文現象。透過超新星的觀測、宇宙背景輻射，以及重力透鏡的觀察可提供黑暗能量之狀態方程式（equationofstate）的線索——基本上，藉由此類觀測將可呈現出物質的黏糊狀態。此刻，對於物理學研究來說，黑暗能量的本質仍是一大迷團，這個疑問一旦被解決，必將在天文學界燃起一道曙光。1JULY2005VOL309SCIENCEwww.sciencemag.orgPublishedbyAAAS3100個待解決的科學問題從宇宙到社會的本質，下述100個問題跨越了自然科學領域。其中，這些問題可能正如上文所探討的；或許問題本身就是個重大議題。有些問題將驅使科學家進行更進一步的科學探索，甚至問題將延續到下個世紀；有些問題可能很快就會被解決。大部分的問題無疑將衍生出更多的疑問。我們的宇宙是獨一無二的嗎？某些量子理論學家及天文學家試圖釐清我們的宇宙是否僅是「多重宇宙」（multiverse）的一部份。但是，也有人認為這種「難以驗證」的想法應該留給哲學家去煩惱。宇宙膨脹是什麼所造成的？宇宙大爆炸後的瞬間，天地萬物以驚人的速度向外膨脹。到底為何有此強大爆破力？宇宙微波背景輻射（cosmicmicrowavebackground）及其他天文物理學的觀測漸漸縮小了可能的原因。