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宇宙新发现及其启示

2007-01-20

【主持人】星光灿烂的宇宙对人类来说,一直是充满魅力的遐想和不懈探索的神秘地方。近十几年来,科学家们更是在广阔的宇宙中,发现了无数奇妙的现象:包括宇宙加速膨胀,大量的伽马射线爆发(Gamma Ray Burst),超新星爆发(Supernova),众多星系或星系团的剧烈碰撞、重组以及新星系的诞生等等。许多发现甚至对传统的万有引力理论和宇宙观构成了严重挑战。这段时间里的重大天文发现比过去任何时期都要多得多。因此科学家们把这段时间称为天文学的“黄金时期”。在接下来王培的采访报道中,将逐一介绍这些新发现,以及这些发现对我们的影响和启示。
 
【旁白】坐落在美国马里兰州巴尔的摩市的美国太空望远镜科学研究院,就是著名的哈勃太空望远镜的老家。这里专门从事有关哈勃太空望远镜的计划安排调度和数据信息处理。1990年,这架耗资15亿美元,迄今为止人类送往太空的最大的望远镜被送入预定轨道,开辟了地球上第一个轨道天文台。

宇宙物理学家马里奥.利维奥博士:哈勃的视野非常小,因此它看什么东西的时候就很专注。它看哪里,是由全世界的宇宙学家们决定的。他们提供申请报告,建议哈勃应该看什么,我们在这里汇集这些报告,由各个专业的宇宙学专家决定哈勃到底应该观测什么。每年我们大概收到上千的申请报告,只有大约六分之一被选中。那些就是哈勃观测的目标。

【旁白】虽然相对于广袤的宇宙来言,只有一只眼睛的哈勃所能捕捉到的信息显得微不足道。但到目前为止,它已经通过向地面上的天文学家们发送无线电波的方式提供了无数极有价值的图片。哈勃发回的观测数据,使科学家们对宇宙的研究不断取得突破性的进展。2006年7月,利维奥博士 (Mario Livio)从哈勃16年来的赫赫功绩中,精心筛选出10项最突出的贡献。他表示,哈勃不仅为天文学家提供了前所未有的细节,还让全世界的人在家中也能一睹宇宙的奇景。历史上,很少有望远镜能够像哈勃望远镜这样,对天文学研究产生如此深远的影响。

宇宙物理学家马里奥.利维奥博士:我应该说哈勃发现了许多东西,有超过6千篇科学论文是在哈勃提供的数据的基础上写出来的。如果我要从中选出其中最激动人心的发现,是发现了我们称之为“暗能量”的东西。从1920年代开始,我们就知道我们的宇宙在膨胀,但我们认为这种膨胀会逐渐减慢下来,因为引力的缘故。就像如果你仍什么东西上去,引力会使上去的速度降低,是不是? 但从1998年开始,我们发现宇宙的膨胀不仅没有减慢,反而在加速。是被一种我们叫做“暗能量”的东西推动的。而宇宙中四分之三的能量,都是以这种暗能量的形式存在的,但我们却不知道它是什么。这是哈勃发现的最激动人心的现象。

【旁白】利维奥博士介绍说,科学家们从比较这两张哈勃照片中,发现了宇宙的加速膨胀和暗能量的存在。

宇宙物理学家马里奥.利维奥博士:我们不知道它是什么,但显然它散布在空间的各个方面,充满整个空间。你知道引力通常将物质吸入,两个物质互相吸引。但暗能量有一种扩展的力量,因此将宇宙加速推动。比如说我把钥匙拿出来,像这样往上扔。引力使它向上的速度减慢,又把它吸回来了。但这种暗能量,则会把扔上去的钥匙向上加速的推。这就是暗能量现在对整个宇宙起到的作用。因此整个宇宙的膨胀在加速。这就是我们所看到的。

【旁白】对于暗能量的本质,目前科学家们仍旧一无所知。但最近的发现显示,宇宙中四分之三的能量来自于暗能量,而这个人们现在还看不见的能量,却主宰了宇宙的未来。

宇宙物理学家 马里奥.利维奥博士:这个发现绝对是对今天物理学家的一个最大的挑战。要搞清楚这种暗能量是什么。全世界的物理学家都在挠头,试图发现这个暗能量到底是什么。

【旁白】宇宙加速膨胀和暗能量的发现,对传统的宇宙大爆炸理论,构成了巨大的挑战。许多物理学家都在重新审视现在流行的宇宙形成和演化理论。1998年以来,普林斯顿大学的施泰恩加德教授(Paul Steinhardt)和英国剑桥大学的图尔克教授(Neil Turok)提出了循环宇宙模型,认为宇宙一直经历着从生长到消亡的“生死轮回”过程。目前被人们普遍接受的140亿年前的宇宙大爆炸,并非宇宙诞生的绝对起点,那只是宇宙的一次新生。

普林斯顿大学施泰恩加德教授:标准的大爆炸理论设想宇宙中的所有物质,全部的物体、射线、和空间本身,都是从大约130亿年前开始的。突然从什么都没有变成有东西了。这是理论的最初设想。而循环宇宙理论认为,或许存在一个好像大爆炸的事件发生了,但那不是空间和时间的开始,也不是物质的起源。而是一次制造了大量物质和射线,构成了我们今天看到的宇宙。而这种事件是有规律的阶段性发生的。不只发生了一次,而是有规律的阶段性发生的。之前也发生过,之后也会发生,大约每千亿年发生一次。我们过去认识的大爆炸只是最近的一次。

【旁白】宇宙大爆炸理论是俄裔美国科学家伽莫夫在1948年提出来的。这个理论认为,宇宙开始是个高温致密的火球,它不断地向各个方向迅速膨胀。当温度和密度降低到一定程度,这个火球发生了剧烈的核聚变反应。随着温度和密度的降低,宇宙早期存在的微粒在引力作用下不断聚集,最后逐渐形成今天宇宙中的各种天体。

普林斯顿大学施泰恩加德教授:这个理论始终有疑问,如果向回追溯,按照爱因斯坦的物质动理论,你会遇到一个问题,就是宇宙的温度和密度似乎是无限的。物理学家把这叫做 “奇点”(Singularity)。是错误的,是一个数学上的错误。这是爱因斯坦理论的一个问题,它预言在创始时,物质的密度和温度是无限的。所以我们相信之后发生的膨胀、加速等,但向回追溯时总是有一个疑问,那是空间和时间的起点吗? 这是爱因斯坦的理论想告诉我们的吗? 是否可能有别的东西? 我们知道爱因斯坦理论不足够回答所有这些问题。我们需要一个新的引力理论,我们现在还没有这样一个引力理论。这就是我们最初的设想,我们特别从一个现在被理论学家公认为最有可能取代爱因斯坦理论的设想,就是“弦论”。就是从这些设想出发,我们认为可能大爆炸不是开始,而是在多重空间范围内两个世界的碰撞造成的。

【旁白】施泰恩加德介绍说,弦论的基本内容是,宇宙物质已知是由各种极小粒子组成。科学家假设这些粒子是极小的弦,也就是曲线,然后据此描述基本物理定律。弦论还涉及了多维空间的问题。认为人类所在的宇宙之外还有另外一个无限大的平行宇宙。这两个宇宙在多维空间中互相区分开来。而一些科学家认为,基于某些数学上的原因,弦论必须有二十六维空间才行。到目前为止,弦论能够完美解释其他的基本理论无法解释的物理现象,被认为具有广阔的发展前景。

普林斯顿大学斯坦因哈特教授:暗能量的发现,使我们惊讶的发现宇宙在加速膨胀。你当然可以人为的将暗能量放入大爆炸模型,假设还存在另一种物质。但如果这么做,显得非常人造。勉强将两样东西堆砌在一起。双方并不融合,没有理由解释为什么我们需要暗能量,它为什么在宇宙中扮演主要角色。我们现在想,既然我们发现了暗能量,或许它真的在起中心作用,或许我们需要从新考虑整个的故事。

【旁白】 长期以来,科学界一直都在试图解释的一个问题是为什么自然界中的那么多常量的值都是那么正好,刚好让生命存在。如果真空中的能量太大,那么宇宙就会在大爆炸后立刻迅速膨胀并撑破,就像吹爆的气球,那么生命就不可能在百亿年后存在了。科学界甚至出现了“人择原理”,即宇宙常量恰当地选择了人类生存,而人类也恰好选择了在这样一个常量条件下出现,而人类又回头研究着为什么宇宙常量大小会刚好让人类生存。

美国布鲁克海文国家实验室(BNL) 莫海定博士:2003年的时候有一个美国科学院院士,他是斯坦福大学教授,叫做苏士侃(Leonard Susskind)。他提出我们现在的宇宙理论肯定还忽略了什么东西,要按照我们的理论宇宙要形成这个样子,需要一种外部力量的干预。他在文章中用的是 “上帝的干预”。就是一种未知力量的干预。现在有很多我们不能解释的是为什么地球是现在这个样子? 因为地球这个条件对我们人产生非常重要。物理常数其它的条件稍微一变,根本就不可能有这样的环境。

【主持人】近年来天文观测的结果已经使人们对宇宙的认识发生了很大的变化。为了适应新的发现,新的理论也应运而出,因而对宇宙未来的推测也大不相同。科学家们普遍相信,宇宙天体的生成、衰败和运行,是有其规律的。长期以来,人们都在不懈的思考、找寻和推测这些运作规律究竟是什么,从而能够预测未来宇宙的状态,以及所需要的时间。休息一下之后,我们将继续给大家介绍目前科学界的研究方向和手段,以及中国传统科学对宇宙规律的认识和研究方法。欢迎你继续收看。

【旁白】 2005年2月18日,美国宇航局宣布,天文学家观测到迄今来自太阳系外最为明亮的伽马射线爆发现象。宇航局在一份声明中说,此次伽马射线爆发来自于银河系人马星座一颗距地球5万光年的中子星爆发。在十分之一秒的时间里释放出的巨大能量,比太阳在15万年内释放的总能量还要多。爆发发出的大量X射线和伽马射线十分强烈,以致在到达月球时发生弹射,改变了路线。大量伽马射线还干扰到了地球大气层的顶端。

马里兰大学研究员 瑞秋奥斯汀博士(Osten) :这些伽马射线爆发,我们知道它们存在,我们已经观测有40年了。但是我们不知道它是什么。因此科学家要研究出新观点,新的可能性来解释伽马射线爆发是怎么回事。许多理论需要证明,但很多都证明失败。因此科学家要研究出新的解释来让我们能了解我们所看到的现象。我们知道看到了东西,但却无法了解是怎么回事。

【旁白】虽然伽马射线爆发发生的具体原因目前科学家们还不清楚,但是过去十几年来的观测表明,伽马射线爆发均匀而又随机的分布在宇宙空间中,爆发频率是每天一次,而现在观测到的超新星爆发频率也为大约每天一次。由于伽马射线爆发均匀而又随机分布,大多数爆发我们观测不到。科学家们估计伽马射线爆发每天发生的实际数目约为500次。频繁的星系和星系团簇的碰撞、重组,一个接一个星系的诞生或毁灭,天文观测正在为人类见证着一个变化中的宇宙。

马里兰大学研究员 瑞秋 奥斯汀博士(Osten) :想想看挺有意思的,许多人看到星空时感到很祥和宁静,但仔细想想,那些我们能看到的星星,它们大多少或许正在进行迂j烈的爆发,更加剧烈的爆炸,超新星在我们的银河系爆发,伽马射线也在爆发等等。实际上并不是一个祥和宁静的宇宙。

【旁白】除了频繁的超新星爆发和伽马射线爆发,科学家们还在碰撞星系和其它星系中发现了大量星体的诞生或毁灭。甚至在我们银河系内和与我们近临的星系,也发现了大量新星迅猛诞生(Starburst)。

美国布鲁克海文国家实验室(BNL) 莫海定博士:象星体星系演化,科学家原来以为已经了解的很清楚了,认为像我们银河系这么大的星系,是有一些小星系碰撞融合,经过漫长时间聚合成我们银河系这么大的星系。按照这种理论银河系这么大的星系形成需要几十亿年的时间。但是在2006年NASA的科学家就观测到一个很大的星系,质量是我们银河系的8 倍还大,这个星系形成是宇宙大爆炸之后的8亿年时间,这个就使原来的理论根本就没法解释了。还有其它一些比如银河系附近,科学家在2005年发现几乎在同时形成了几十个星系,类似的星系。它们的质量啊、年龄啊、还有组成啊都很相似。这是科学家也没有办法解释的,因为星系形成应该是很少的。应该是宇宙产生的早期就形成这样的星系,但是现在就发现在银河系附近就形成这种星系。科学家觉得很难解释。

【旁白】2006年10月31日,美国航天局宣布,将在2008年下半年再次对哈勃太空望远镜进行维修。虽然这项花费相当昂贵而且失败率高的项目之前曾遭受各种反对意见。但研究太空宇宙的科学家们却认为这是进行科学研究所必须要付出的代价。

宇宙物理学家马里奥.利维奥博士:在2008年5月,会再有一次对哈勃太空望远镜的维修。这次维修会安装2个新的仪器,一个是新的照像机,可以让我们看到更深的宇宙空间,看到更广的天空范围,这会让我们看到距离我们少于10亿光年的宇宙,现在我们宇宙的是137亿年的,我们看到的是5亿光年的星系。这是一件事。第二件是我们要安装一个光谱绘图仪,它会区分光,像彩虹一样。它可以让我们研究星系之间物质的结构。这是2008年要做的。然后到2013年,我们研究院会发射下一代的太空望远镜,叫做詹母士韦伯望远镜,那是非常大的望远镜,哈勃的直径是2.4米,那个望远镜会是6米半。它会距离地球一百万英里,它会看到热射线,可以让我们看到更深的宇宙空间,看到宇宙最早的星系,那会是在2013年发射。

【旁白】除了哈勃,美国、欧洲和日本等国近年来也在相继发射和研制了红外太空望远镜、“克罗特”追星望远镜、“光谱-紫外线”望远镜以及“光谱-射电天文”望远镜等。

美国布鲁克海文国家实验室(BNL) 莫海定博士:现在的天文学研究主要是望远镜,一个是地面望远镜,一个是发到太空上的望远镜,实验手段主要是这两种。另外一个是理论研究,就是通过物理理论然后加上计算机模拟。然后通过初始条件,加上一个方程,然后运行。看看得出来什么样的结果。这种研究方法也是很有局限的,因为我们现在宇宙学研究,有很多东西观察不到。像暗物质、暗能量,也就是大多少东西都观察不到。

【旁白】这是2006年在亚太地区轰动一时的“韩流”代表作“大长今”中的一个片段。剧中医学博士申教授所讲的中医理论,正是中国传统文化科学中最具代表性的思维方式。这就是所谓“天人感应”,“天人合一”思想的根本出发点。

美国布鲁克海文国家实验室(BNL) 莫海定博士:中国人历来认为天人合一。宇宙就是一个整体一样。就是宇宙天象变化,你可以对应到人间的变化。从天象变化可以预测到人间的变化。这在历史书上可以找到很多例证。比如司马迁写的《天官书》,李淳风、袁天罡写的《乙巳占》。他们对这些都有很好的总结。比如象超新星就属于有兵乱啊这些不好的天灾现象。

【旁白】在中国历史上,由国家设立天文台持续有二千多年,天文观测一直是政府的一个重要部门。儒家经典《周礼》的官制中就有这方面的记载。无论朝代更迭还是外族统治,但负责观测天象的官职却没有变化。中国古代不少著名的科学家如张衡,沈括,郭守敬等都曾经负责过天象观测。《易经》中说: “观乎天文,以察时变,观乎人文,以化成天下。”

美国布鲁克海文国家实验室(BNL) 莫海定博士:在微观领域,像量子力学也好,它认为简单来说,有两个粒子是属于一个系统。如果你把它分开了,有一个粒子在我这,一个粒子有几千光年遥远,就是非常遥远。你对任何一个粒子扰动,瞬间那个粒子就能知道,就能有所反应。它不需要像现在认为的,扰动以后等到很久信号传递到那边,那边才会知道。现在量子力学发现,这种扰动是瞬时的。这边一动那边就知道了。根本不需要时间上有差异。

【旁白】20世纪90年代,美国天文学家林德 (Linde)提出了“分形宇宙(Fractal Universe)模型”,这种理论认为宇宙在不同的尺度上,有着惊人的重复性结构。如原子和银河系的类比,原子和中子星的类比,它们都在各个方面 --比如半径、周期、振动等--展现出了十分相似的地方。这种理论还认为,宇宙中的任何一个原子,也包含了整个宇宙的某些信息,正如现在生物学中发现的,一个人体细胞中,就包含了全部人体的基因信息。中国有一句古话:“一滴水可以折射出三千大千世界。”。宇宙、人体、时空、生命,现代科学的新发现,似乎正逐步验证角什窷□峎儩□云澈铥Q和观点。

【主持人】“观其著者以知微,察其显者而见隐,此格物致知之要道也。不研其情,不索其破,梏于耳目而止,非知天人者矣。”这是明朝开国宰相和著名预言家刘伯温在他最有代表性的一部寓言兼议论散文集《郁离子》中《论物理》中的一段话。它体现了中国古老科学对事物的宏观与微观,显现出的和其隐含在后面的现象,需要全面认识了解的指导思想。这种思维方式恐怕对我们当今探索宇宙规律和人类社会变化都是一个重要的启示。

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