大型強(qiáng)子對撞機(jī)

希格斯玻色子或許已經(jīng)在科學(xué)家們的掌握之中，但是，耗費(fèi)了無數(shù)人心血和資金的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）饋贈(zèng)給人類的可能遠(yuǎn)不止于此。

2013年2月14日，歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家們宣布，LHC接下來將進(jìn)入為期2年的停機(jī)維護(hù)期。在這2年內(nèi)他們將對該設(shè)備進(jìn)行徹底的修理和升級(jí)，希望在2年后它能突破迄今為止最高8TeV對撞能量的限制，以14TeV的初始設(shè)計(jì)能量進(jìn)行對撞實(shí)驗(yàn)。

這一對撞能量應(yīng)該足以制造出諸如超弦理論等下一代物理理論預(yù)測可能存在的粒子。但是，LHC也是一臺(tái)碎鈔機(jī)，需要巨額資金來保障。如果砸下去的錢沒有讓科學(xué)家們獲得他們所期望的結(jié)果，那么，他們可能會(huì)繼續(xù)在宇宙間搜索，測量宇宙射線或者細(xì)小的原子效應(yīng)，希冀從中找到答案。

普朗克探測器

宇宙大爆炸留下的輻射中包含有早期宇宙留下的重要線索，歐洲航天局（ESA）于2009年發(fā)射升空的普朗克太空探測器繪制出了早期宇宙最詳細(xì)的“肖像”，該衛(wèi)星捕捉到的輻射足以讓科學(xué)家們不進(jìn)行任何理論假設(shè)，就可以測量宇宙的質(zhì)量；也足以讓科學(xué)家們探測到宇宙波的漣漪并且測試各種膨脹模型，這些膨脹模型認(rèn)為，整個(gè)宇宙大爆炸期間，宇宙一直在膨脹。普朗克探測器捕捉到的早期宇宙的圖像甚至可以讓科學(xué)家們研究除了標(biāo)準(zhǔn)模型以外的其他理論模型（諸如平行世界等）。

先進(jìn)激光干涉引力波天文臺(tái)

廣義相對論預(yù)測，時(shí)空中的漣漪應(yīng)該會(huì)持續(xù)不斷地在宇宙間穿梭。從2014年開始，位于美國的引力波探測器的升級(jí)版——先進(jìn)激光干涉引力波天文臺(tái)，將使用幾千米長的激光“尺子”，追蹤空間抖動(dòng)（相當(dāng)于地球向太陽移動(dòng)單個(gè)原子直徑的十分之一的距離）。

如果該探測器能有所發(fā)現(xiàn)，它將是愛因斯坦相對論最至高無上的勝利。如果該探測器一無所獲，科學(xué)家們將不得不再次從重力理論出發(fā)，為宇宙建立新規(guī)則。

激光空間干涉引力波探測器LISA對脈沖雙星的觀測是間接證實(shí)引力波存在的有力證據(jù)，然而對來自宇宙深處的引力波的直接觀測始終未能實(shí)現(xiàn)，這也成為了相對論前沿研究的主要課題之一。已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的地面引力波探測器投入運(yùn)行，最著名的是GEO600、LIGO（包括三架激光干涉引力波探測器）、TAMA300和VIRGO；而美國和歐洲合作的空間激光干涉探測器LISA正處于開發(fā)階段，其先行測試計(jì)劃LISA探路者于2009年底正式發(fā)射升空。

對引力波的探測將在很大程度上擴(kuò)展基于電磁波觀測的傳統(tǒng)觀測天文學(xué)的視野，人們能夠通過探測到的引力波信號(hào)了解到其波源的信息。這些從未被真正了解過的信息可能來自于黑洞、中子星或白矮星等致密星體，可能來自于某些超新星爆發(fā)，甚至可能來自宇宙誕生極早期的暴漲時(shí)代的某些烙印，例如假想的宇宙弦。

激光空間干涉引力波探測器

歐洲航天局的激光干涉探測器新引力波天文臺(tái)（NGO，原名“激光干涉空間天線”，LISA）目前正處于開發(fā)研究階段，其先行測試計(jì)劃LISA Pathfinder（LISA探路者）將于2014年底之前正式發(fā)射升空。

“探路者”計(jì)劃也能確認(rèn)廣義相對論中與重力有關(guān)的一切描述是否屬實(shí)。另外，該設(shè)備在穿過“鞍點(diǎn)”（地球和太陽的重力在“鞍點(diǎn)”相互抵消）時(shí)將能厘清，當(dāng)重力加速度極小時(shí)，愛因斯坦的理論是否仍然站得住腳。如果確實(shí)如此，這些引力空隙將是諸如修正牛頓引力理論（MOND，以色列科學(xué)家莫德采·米爾格若姆于1981年提出了該理論，來解決暗能量與星系自轉(zhuǎn)問題）等其他目前比較流行的理論的“葬身之地”。

搜尋暗物質(zhì)的“芳蹤”

今年是首次假定暗物質(zhì)存在80周年。如今，80年過去了，我們依然沒有揭開這種難以捉摸的物質(zhì)的“神秘面紗”。

理論指出，星系和星系團(tuán)都包裹在暗物質(zhì)粒子所構(gòu)成的巨大物質(zhì)云（暈）之中，這種物質(zhì)被稱為“弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）”?？茖W(xué)家們耗費(fèi)巨資，使用最尖端的設(shè)備并設(shè)計(jì)出了很多極端精確的實(shí)驗(yàn)，希望從茫茫宇宙中將這些狡猾的家伙揪出來。DAMA/LIBRA（碘化鈉晶體暗物質(zhì)搜索實(shí)驗(yàn)） 、CoGeNT和CRESST（超導(dǎo)溫度計(jì)探測低溫稀有事件）三大實(shí)驗(yàn)是其中的佼佼者，據(jù)報(bào)道，這些實(shí)驗(yàn)似乎已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了某些疑似暗物質(zhì)的物質(zhì)。

實(shí)際上，此前，DAMA實(shí)驗(yàn)宣稱，他們已經(jīng)探測到了這些暗物質(zhì)粒子。DAMA實(shí)驗(yàn)位于意大利中部地底下的格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家們以總重約250千克的25個(gè)超純碘化鈉晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。13年來，DAMA觀測到的信號(hào)呈現(xiàn)季節(jié)性變化，夏天出現(xiàn)的多于冬天。DAMA團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種年度變化是由于地球圍繞銀河系中心和太陽的軌道運(yùn)動(dòng)所致。在北半球的夏季，圍繞太陽的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)使地球高速?zèng)_入看不見的銀河系暗物質(zhì)的云中，增加WIMP擊中探測器的幾率。

最近，另外兩個(gè)合作項(xiàng)目CoGeNT和CRESST的觀測結(jié)果似乎也支持了DAMA的說法，但是其他實(shí)驗(yàn)并未檢測到類似DAMA實(shí)驗(yàn)的WIMP應(yīng)有的信號(hào)。目前，關(guān)于DAMA、CoGeNT以及CRESST究竟是的確觀測到了暗物質(zhì)粒子，還是僅僅被一些鮮為人知的背景干擾以致形成了期待中的信號(hào)的假象，科學(xué)界尚未達(dá)成一致意見。

也有科學(xué)家認(rèn)為，宇宙之間根本不存在所謂的暗物質(zhì)。其實(shí)，真正的問題在于，我們對正在尋找的暗物質(zhì)知之甚少，需要更多數(shù)據(jù)和其他實(shí)驗(yàn)來理解這些實(shí)驗(yàn)。

中微子工廠

中微子實(shí)驗(yàn)——諸如位于中國廣東省大亞灣的實(shí)驗(yàn)最終會(huì)有什么發(fā)現(xiàn)，我們完全無法預(yù)測?？茖W(xué)家們迄今還沒有完全搞清楚這個(gè)“魔鬼”粒子的屬性，而且，這種粒子與其他粒子的交往太少，因此，要想對它們有所了解，需要海量的中微子才行。

NuStorm或許可以解決這個(gè)問題，科學(xué)家們將NuStorm稱為可以批量制造出大量受控制的中微子束或反中微子束的“工廠”。這一“工廠”或許有助于科學(xué)家們厘清中微子的性質(zhì)以及有多少種中微子，以最終解決是否還存在其他類型不相互作用的惰性中微子這一問題。

空間中的量子理論

在幾千千米的范圍內(nèi)發(fā)射光量子的實(shí)驗(yàn)迄今僅僅證實(shí)，這些粒子之間存在著令人詫異的相互關(guān)系和糾纏。當(dāng)然，科學(xué)家們并不滿足于此，他們正在開展一些實(shí)驗(yàn)以通過衛(wèi)星在幾大州之間發(fā)射光量子。這是在空間中更大距離內(nèi)測試量子理論的第一步，在這一距離范圍內(nèi)，相對論的扭曲變得非常明顯。這些實(shí)驗(yàn)還有一些附贈(zèng)品，那就是，科學(xué)家們可以弄清楚，當(dāng)量子理論和相對論相碰撞時(shí)，會(huì)發(fā)生什么事情。