用科學的方法探索宇宙.doc

1、用科學的方法探索宇宙打開文本圖片集宇宙有著無窮的奧秘，人類應該永遠探索下去2021年，美國發(fā)射了一顆衛(wèi)星，叫做w-map衛(wèi)星。它對宇宙的微波背景輻射進行了探測。我們今天看到的最遠的天空，距離非常非常遙遠。我們今天對宇宙的認識，跟過去完全不一樣了。很多朋友跟我談起來，會說：你這個宇宙學家講的很懸，我們也不懂，那我們怎么知道你說的對不對呢？宇宙是不是這么一回事呢？我想，我們是一步一步地被事實和推理推到這樣一個位置的。當然，所有的認識也都是有局限的，探索沒有止境。我們知道，古代和近代的區(qū)分，是在17世紀的時候，發(fā)生了近代科學革命。很重要的一點就是哥白尼提出了日心說，打破了托勒密的地心說，認為太陽是宇

2、宙的中心。比哥白尼稍晚一點的伽利略也在思考這些問題。當時他用手畫下了月球表面圖。他用望遠鏡看到的月球表面是有缺陷的，并不像亞里士多德所認為的那樣，天上的東西完美無缺。牛頓是用一套數(shù)學方法來描述類似引力這樣的現(xiàn)象，這是科學的方法。當然，牛頓也有他的局限性，比如說他認為時間和空間都是絕對的?？墒堑搅?9世紀，就出現(xiàn)問題了。因為麥克斯韋建立了電磁學理論，根據(jù)當時的很多觀測和實驗，可以解釋光是一種電磁波，光的傳播有一個固定的速度，但這個速度到底是在哪個參考系里呢？邁克爾遜所做的觀測實驗發(fā)現(xiàn)，情況并非如此，任何一個方向上的光速都是一樣的。隨后，愛因斯坦提出了狹義相對論，認為運動是相對的，光速也是恒定不變

3、的。狹義相對論提示了時間與空間的統(tǒng)一性和相對性，建立了新的時空觀。后來，愛因斯坦又把相對原理推廣到非慣性參照系和彎曲空間，推導出廣義相對論，從而建立了新的引力理論。經(jīng)過一番思考，愛因斯坦后來提出了有限靜止的宇宙模型。然而，愛因斯坦的這個理論后來被天文觀測否定了，因為觀測表明宇宙是膨脹的。越來越遠的星系回到17世紀上半葉，當時伽利略已經(jīng)認識到，銀河是由很多恒星構成的。伽利略之后，有很多人開始思考：這些恒星到底是怎么分布的？18世紀末，一個名叫梅西耶的法國天文學家在搜索慧星的過程中，記錄了一些乍看很像彗星且很難跟彗星區(qū)分開來的彌漫天體。它們就不是一個星，而是很多星云。但是，當時我們只是看到了恒星或

4、星系的位置，對于它們的其他性質(zhì)卻不了解。1825年，法國哲學家孔德在他的實證哲學講義中說：“恒星的化學組成是人類絕對不能得到的知識?！痹谒莻€時代，光譜分析p 方法還沒有問世，測定物質(zhì)的化學或礦物學組成，都是在實驗室里進行的。19世紀末期，美國女天文學家勒維特注意到，小麥哲倫云中的一些變星光變周期越長，亮度變化越大。經(jīng)過進一步研究，最終于19_年確認了造父變星的周光關系。具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應，它又被稱為多普勒-斐索效應。因為法國物理學家斐索于1848年獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應測量恒星相對速度的辦法。光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色

5、的變化：如果恒星遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移。美國天文學家斯萊弗測了離我們最近最亮的25個星系，發(fā)現(xiàn)頭4個光譜是藍移的，就說明這個星系在靠近我們。但剩下的21個都是紅移，速度也很高，以每秒幾百公里遠離我們。哈勃當時正在揭示這個新世界，并用它來建立膨脹宇宙的概念。就是說，如果我們的宇宙不是靜止的，而是整個地在膨脹，那么所有的星系之間呢？距離都變遠了！這就好比你在吹一個氣球，吹大了以后，氣球上任何兩個點之間的距離都在增大。看來，需要重新認識我們的宇宙。大爆炸理論究竟對不對？愛因斯坦靜止的宇宙學說問世后，不斷有人提出質(zhì)疑

6、。其中，貢獻特別大的有兩人：一個是俄國數(shù)學家弗里德曼，他證明“宇宙幾乎不可能是靜止的”，并求得不含“宇宙常數(shù)”項的愛因斯坦引力場方程，表明宇宙實際上是無限膨脹的；還有一個是比利時天文學家勒梅特，他認為宇宙開始于一個小的原始“超原子”的災變性爆炸。他們都認識到，根據(jù)愛因斯坦的理論，宇宙空間有3種可能性：一種是我們大家所熟知的平直的空間；一種是像球一樣的，叫正曲率空間，還有一種叫負曲率空間，或者叫雙曲空間。它有點兒像馬鞍，一個面是凹下去的，一個面是凸起來的。他們還認識到，宇宙可以是膨脹的，也可以是收縮的，但整體在發(fā)生膨脹；而且這個膨脹的速率，跟其物質(zhì)的多少是有關系的。到了20世紀30年代末40年代

7、初，已經(jīng)提出了兩種宇宙理論：一種是我們今天所熟悉的宇宙大爆炸理論，還有一種叫穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論。宇宙大爆炸理論的主要支持者就是前面提到的勒梅特，還有俄裔美籍物理學家伽莫夫，其理由如下：如果說宇宙是膨脹的，那么假如時間往回、往前追溯，過去的時候宇宙的密度應該很高，溫度也很高。那個時候，今天可見的宇宙都在一個很小的點內(nèi)，這就是他們所謂的宇宙火球理論，或者叫宇宙蛋理論。宇宙大爆炸這個名字，是英國天文學家霍伊爾起的，他與另外兩位英國科學家提出了另一種解釋：假如往回、往前追溯的話，物質(zhì)守恒定律或者能量守恒定律就不滿足了。物質(zhì)和能量有可能一直不斷地創(chuàng)生出來，因此，宇宙雖然在膨脹，但是因為有新的物質(zhì)冒出來，其密

8、度將一直保持不變，所以宇宙從古到今，看起來一直都是一模一樣的。霍伊爾提出這個理論之后不久，應BBC的邀請做了一次科普報告，他把前一種理論叫做大爆炸理論，把他與合作者共同創(chuàng)立的理論叫做穩(wěn)恒態(tài)理論。大爆炸理論究竟對不對？是不是還有別的可能性？現(xiàn)在我們知道，還有其他一些證據(jù)證明大爆炸理論是正確的。第一個證據(jù)就是氦的豐度。地球上常見的元素有碳、氮、硅、氧、鋁，但是在宇宙中發(fā)現(xiàn)，氫和氦這兩種元素占了差不多百分之九十九點九九幾。大致可以說，氫占75，氦占25，那么剩下的大概都是萬分之幾的，甚至幾十萬、幾百萬分之幾的豐度。另外一個重要的理論，是伽莫夫的兩個學生阿爾弗、赫爾曼提出的。他們在研究中發(fā)現(xiàn)，宇宙早期

9、如果經(jīng)歷過高溫狀態(tài)的話，會發(fā)出很多光來，并掉到宇宙空間中去，或者說在宇宙中傳播。隨著宇宙的膨脹，它會紅移，變成微波，就是今天的這個微波波段。他們當時有這個預言，但卻沒想到去觀測。有一位物理學家和他的兩個博士后最早想到去觀測，遺憾的是，他們的觀測儀器還沒造好，貝爾實驗室的兩個工程師彭齊亞斯和威爾遜，就先于他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，并獲得了1978年的諾貝爾物理學獎大尺度結構最近幾十年來，望遠鏡取得了非常大的進步，可以造得很大。我們能夠看得更遠了。星系演化也有一個很清楚的圖像，我們發(fā)現(xiàn)，兩個星系靠近了，它可以撞到一起。在撞到一起的時候，引力會改變他們的形狀。數(shù)值是模擬出來的，當兩個星系接近時，形

10、狀的一些變化可以在照片上顯露。星系的空間分布和大尺度結構也是這樣。一個空間中可以有很多很多星系按照一定的結構來分布，可以是平面的、立體的，也有一條一條的，像長城一樣的；還有一個一個大的空洞，這些都是大尺度結構。關于大尺度結構，現(xiàn)在也有很多理論，最早是金斯提出來的：如果一開始基本上是均勻的，只是有一點點擾動，那么，在不太均勻的地方，就會有引力，把周圍的物質(zhì)吸過來。吸過來它的引力就增強了，它就會更厲害一些，然后引力就更強。這樣的話它就會逐漸形成一些結構。在這個基礎上，天文學家早在40多年前就提出：我們的星系可能是一個星云塌縮形成的星系。塌縮了以后這個氣體就逐漸冷卻，從球形逐漸變成盤形。還有人提出了

11、另一種觀念，就是說，先形成一些小的形態(tài)，然后小的再合到一起，形成我們今天的星系，所謂的層級形成理論。暗物質(zhì)之謎還有所謂的暗物質(zhì)一直也困擾著天文學家和物理學家?，F(xiàn)代意義下的暗物質(zhì)概念最早是由瑞士天文學家扎維奇在1933年提出來的。他發(fā)現(xiàn)星系團里有很多星系組成一個大團，但不是所有的星系都在這個團里。有些星系地方比較密，它就形成一些團，這個星系團里星系的運動速度很快。在這么快的速度下，要讓它不散掉的話，里面的引力一定很強。可它發(fā)出來的光并沒有那么多。這意味著應該存在著很多不發(fā)光的物質(zhì)，叫做暗物質(zhì)。到了20世紀70年代，人們發(fā)現(xiàn)，不光在星系團里，就是在星系里也有暗物質(zhì)。測量星系會發(fā)現(xiàn)，它轉動的速度是不

12、一樣的。假設發(fā)光的恒星就是唯一的物質(zhì)，再加上氣體，當它轉到外面時，由于距離中心遠了，引力弱了，轉速就應該降下來。但是它卻沒有降下來，這說明它外面還有很多很多沒有看到的物質(zhì)。這個就是暗物質(zhì)。如果這個暗物質(zhì)就是普通的、不發(fā)光的一般物質(zhì)，那它并不稀奇。我們的地球也不發(fā)光，它是反射太陽光。天文學家相信，普通物質(zhì)之外，肯定還存在著一種不同于普通物質(zhì)的暗物質(zhì)。無窮的奧秘現(xiàn)在有一個很重要的理論叫暴脹理論，它發(fā)現(xiàn)在宇宙早期的時候，宇宙膨脹的速度特別特別快，在這個10的負30幾次方秒之內(nèi)呢，它就膨脹了10的25次方以上。這種現(xiàn)象會導致一些很有意思的結論。一個就是我們今天可以觀測到的宇宙的部分，就是平直的歐幾里得

13、幾何，并不是愛因斯坦所說的那種彎曲的幾何。這實際上促使我們以一種新的思路來看待這個問題了：在這個宇宙中，到處都會在發(fā)生暴脹。一旦開始發(fā)生暴脹，原來一個很小的體積就變成非常非常大了，它的速度和體積增加得非常快，那么你到底管它叫有限還是無限都不太好說了。這樣的話，我們這個可觀測的宇宙，可能只是整個宇宙當中非常非常小的一部分，外面那些宇宙我們永遠看不到。還有一個很有趣的結論，就是說在這個爆炸發(fā)生之前，在一個很小的尺度里，由于存在量子漲落，某個地方的密度稍微有點兒不均勻。然后突然一暴脹，把它拉成到整個宇宙以后，這個不均勻就保存下來了。這就是我們今天看到的微波背景輻射上的一個溫度的不均勻性。最終，它就演

14、化成我們今天看到的這個星系。所以，我們最初的來是量子力學的測不準原理。如果這個暴脹理論是正確的話呢，可觀測的部分就是平直的。在數(shù)學上，我們可以用圖形來表示出來。暗物質(zhì)只占密度的20，但是，如果宇宙是平直的話呢，密度應該是百分之百，普通物質(zhì)可能占5，那剩下75到哪去了。1998年人們發(fā)現(xiàn)，還存在一種新的東西，叫做暗能量。就是說，觀測宇宙早期的超新星爆發(fā)了以后，你可以把它作為已知的亮度的東西，然后根據(jù)它的亮度，推算宇宙演化的距離尺度。還可以發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹不但沒有減速，而且還在加速。這個加速說明，它不是普通的物質(zhì)。今天的這個宇宙的圖景有如：75是一種我們未知的東西叫暗能量，21是一種我們未知的東西叫

15、暗物質(zhì)，只有4左右是我們所熟悉的由原子組成的物質(zhì)。我們還想要知道終極理論是什么？宇宙的起是什么？以及新時代的兩大烏云暗物質(zhì)和暗能量，它們是什么原理我們不知道。再有就是宇宙的歷史，在知道這些東西的基礎上，我們怎么樣去看星系的形成和生命的產(chǎn)生？在宇宙當中我們?nèi)祟愂遣皇枪陋毜?？宇宙具有什么樣的條件才能產(chǎn)生人類，？這些都是我們未來希望了解和認識的東西。最后總結一下，最近中國科學院剛剛提出未來40年中國物理學研究應該怎么發(fā)展，還提出了可能出現(xiàn)革命性突破的4個基本科學問題，暗物質(zhì)暗能量被列為第一個重大的科學問題。這就是說，揭開暗物質(zhì)暗能量之謎，將是人類認識宇宙的又一次重大飛躍，可能導致一場新的物理學革命。我們中國現(xiàn)在的科學稍微落后一點，但是我們