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讲座纪实 |谁将主宰宇宙的命运?


主讲人简介:

        武向平,天体物理学家,1961年1月27日出生于陕西省黄龙县,1982年毕业于西北电讯工程学院(县西安电子科技大学),1985年获该校硕士学位,1989年获中国科学院北京天文台博士学位。现任中国科学院国家天文台研究员,2011年当选中科院院士。

        武院士长期从事宇宙学方面的研究,在理论天体物理和观测宇宙学等方面做出了出色的成绩:较早建立了星系团的强引力透镜统计理论,提出了在星系团中心存在致密暗物质晕的猜想;解释了利用微引力透镜效应寻找银河系晕暗物质实验所发现事例的成因,为认识银河系暗晕的物质构成起了积极作用;利用光学、X射线和引力透镜三种方法联合测定了诸多引力透镜星系团的中心质量,发现传统方法之偏离;利用星系群和星系团的X射线和光学观测资料系统地研究了其动力学特性,所建立的统计相关关系被广为采用;领导了在新疆天山地区建设用于“宇宙第一缕曙光”探测的大型低频射电望远镜阵列21CMA,成为国际上较早开启宇宙再电离探测的重大设备。曾获中国科学院自然科学奖一等奖,国家自然科学奖二等奖,中国青年科学家奖,2011年度何梁何利科学技术进步奖等。

    讲座下午两点在KIAA吴学兵老师的主持下准时开始。虽然北京遭到焚风的袭击,温度高企,但校内外对科学感兴趣人士前来旁听的兴趣不为少减,偌大的教室里坐满了好奇的听众。

    武院士的讲座很快进入正题。下面是对他讲座内容的简单复述(其中包括本文作者的部分评述),未能前来现场一睹院士真容的遗憾概可藉此弥补:


    从文明的第一缕曙光开始,东西方的人类就没有停止过对自己生存的宇宙的本质和演化规律的想象。中文的宇宙一词非常精当地指出了我们所处的时空的本质,所谓上下四方曰宇,古往今来曰宙——时间而论,宇宙走过了137(或138)亿年的历史,而空间而言,宇宙的长度尺度达到了4.3e26m的级别。可观测宇宙的主要重子物质组成成分是约一千亿个星系,而星系又由一千亿个左右的量级的恒星构成,所以宇宙中共有约10e22颗和我们太阳类似的恒星,但这么多的物质质量在广阔无垠的空间中平摊下来,密度却只有0.4e-30g/m^3,每个平方米还远远分不到一个电子。

    研究宇宙就要研究其尺度,从小到大,人类对尺度的认识逐渐提升,从太阳系,到可以肉眼看见的恒星的范围,再到地球上的无线电波所能传播的距离,我们发现,对人类已经不可想象的距离,却还局限在银河系中并不在中心的一个狭小地域:这足以说明,人类在宇宙中的地位并不特殊。太阳系处在银河悬臂上,大约每2.3亿年绕银心转一圈,折算下来,相对速度足有87万km每小时,我们的银河系所处的本星系群相对于宇宙微波背景辐射的速度更是达到了226万公里每小时。这些数字都说明,宇宙学是一门以实验为基础,以数学为语言的严肃精密的科学,而不是民科坐在屋里闭门造车得出来的,连哲学思辨也谈不上的妄想。

WMAP卫星拍摄的宇宙微波背景辐射的涨落

    为了精确地了解宇宙,宇宙学的第一步就是测定天体之间已经超出人类感知直觉的距离概念。距离地球较近的天体可以用三角视差的几何效应来测量,而星系尺度的目标的测量则需借助更复杂的造父变星法。根据上个世纪20年代的美国天文学家埃德温哈勃的测量,在星系尺度上离我们较远的星系的特征光谱都存在着表示它们在远离我们的多普勒红移(不过在广义相对论中这种红移并不是真正的位移引起的),而且离我们越远,红移就越大。稍加思考人们就可以得出,按这个规律外推,宇宙必然起源于某个狭小空间的膨胀——这个突然的膨胀过程被称为大爆炸。


    大爆炸绝不是异想天开的猜想,它以坚实的数学模型作为基础,所作出的预言也一一在观测中得到了应验。首先就是上世纪中期由美国海军的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊发现的宇宙微波背景辐射,这是早期宇宙中辐射和物质脱耦时留下的一张快照,它今天已经被红移到了160.2GHz,1.873mm的微波波段,这正好也是人类通讯常用的一个波段。当电视信号出现问题时,满屏的雪花里,就有百分之几的成分来自它的贡献。

    最早观测到的宇宙微波背景辐射和黑体的辐射谱完美重合,这代表着一个完全均匀没有任何差异的物质分布,但这样的分布绝不可能引起今天宇宙间丰富的由引力束缚的大尺度结构,人们一直在尝试寻找它的涨落,终于在COBE WMAP和Planck三颗天文卫星的不懈努力下,人们观测到了宇宙微波背景辐射相对大小为十万分之一的涨落,这张图片显示了这一点,它被称为:上帝脸谱。所有这些微不足道的涨落,蕴含着此后一切引力引起的宇宙演化的种子。

    宇宙大爆炸的另一个观测证据在于它对宇宙化学组分的精确预言。按照理论计算,宇宙大爆炸后,当温度冷却到某个特定的温度时,核合成过程就终止了,所以宇宙中的绝大部分原子核应该只是在这个温度前生成的四分之三的氢与四分之一的氦,这和77:23的观测数据完美符合。比锂重的元素,都要在恒星过程中产生,恒星的核燃烧可以一直生成到比结合能最大的铁,而比铁重的元素,几乎都来自超新星爆发、中子星并合等剧烈的天体物理过程,在这个意义上讲,由重元素构成的地球和我们,都是恒星的灰烬。

    较为有趣地,金子的珍贵源于其稀少,而其稀少则源于可以产生金子的中子星并合过程的渺茫。其他一些有意思的物质构成的星体,比如钻石构成的白矮星,也被人们发现了。


    大爆炸理论的另一个证明,来自于一个古老的哲学问题:为什么夜晚的天空是黑的?如果宇宙是无限的,在每个方向上我们都期望看到一颗恒星,天空理应是无限亮的。有了大爆炸理论,宇宙在时间和空间上都是有限的,这个问题就迎刃而解了。

    我们目前知道,宇宙间只有四种作用力,而只有引力可以在宇宙的尺度上起到作用,但引力和宇宙的膨胀相互拮抗,一个直接的想法是,只要宇宙的物质密度足够大,宇宙终将停止膨胀。这个临界密度的计算十分简单,但我们观测到的宇宙的物质密度,只是这个密度的二十分之一。不过,我们观测到的发光物质远不足以解释宇宙的所有引力,对星系旋转曲线等现象的研究告诉我们,宇宙的动力学质量大于其光学质量,有着比发光物质重数倍的不发光的物质——暗物质对引力起着重要的影响。但即使把它们都加进来,宇宙的密度仍然只有临界密度的四分之一。

专注的听众


    所以,宇宙必然会继续膨胀下去。但膨胀的过程是减速还是加速的呢?乍看在引力作用下,这个过程虽然不会终结,但总归该是慢慢减速的。然而1998年,三位超新星天文学家的宏伟观测结果表明,宇宙的膨胀居然是加速的。驱使加速的动力,被人们称为暗能量。

    数值模拟的结果表明,整个宇宙中的已知物质质量占到百分之四,暗物质占到百分之23,而余下73%的物质组分全都是暗能量。

    如果我们的理论和观测都是正确的,我们可以为宇宙画出一个可怕的未来图景。20亿年后,大小麦哲伦星云将和银河系合并,进一步壮大银河系的规模;如果这个过程没有对太阳系产生影响,40亿年后太阳将耗尽燃料成为红巨星,地球要么被吞噬,要么被烤干。宇宙膨胀导致的红移将使得七千亿年后的银河系引力场外的所有星光再也不能到达我们,孤独地燃烧十万亿年后,宇宙的核能开始耗尽,星光黯淡下来,1万亿亿亿年后,星系也不能维持其存在,剩下的物质几乎都成了黑洞和恒星残骸,再经过四个数量级,连最稳定的质子也衰变了,物质几乎瓦解,直到10e67年后,最后的黑洞也通过霍金辐射消亡,宇宙进入了冷、暗、没有生命的永恒。(我想这就是所谓细思恐极吧)


    当然,这些可怕的猜想建立在我们当下对宇宙的了解是正确的这个假设之上,但我们对宇宙的了解远远没有达到可以让我们放心地对它的未来做断言的地步。我们仍然不知道暗物质究竟是什么:它不发光,却又参与引力作用,一些计算表明它们比电子的尺度小十万亿倍,但根据测不准原理,它的波长却横跨整个银河系。

    如此怪异的物质的其他性质我们一无所知,目前人类进行了很多盲人摸象的探测,我国去年发射的悟空卫星就试图做到这一点。在地面上,试图用液氙做靶体的守株待兔式探测已经进行了很久,我国在四川山区凿一个2400米深的山洞,就是这样的探测器;间接地也有人试图用大型加速器打出暗物质,但这些方法被证明迄今一无所获,而随着能量上下限的接近,越来越多的人对找到暗物质的信心逐渐丧失了。

    当观测和理论不相符时,一个好的物理学家应该修正的是他的理论。我们几乎肯定广义相对论不会是宇宙的终极理论,因为其不可重整性,但其基础,等效原理中引力质量和惯性质量的严格相等性是否正确?很多人提出了牛顿引力和广义相对论的替代理论,最早的是80年代的以色列科学家Milgrom的MOND(修正牛顿引力理论),(本文的记录者曾经有幸在以色列的魏兹曼研究院与他有一面之缘),以及后来的多膜理论等。但这些理论或多或少地都存在与观测的矛盾,应该不会是人们寻找的终极理论。

    暗物质和暗能量究竟蕴含着什么?

    就像黑体辐射的发散和马克尔逊莫雷实验这两朵20世纪初物理学上空的乌云蕴含了相对论和量子力学这两个伟大的创造,我们有理由相信,暗物质和暗能量背后,是我们目前还一无所知的新物理。对它的探寻,将由在座的各位同学这一代科学家肩负——也许20年内我们就能看到它的曙光。


    公众提问环节之前,武院士对一些可能出现的普遍存在于群众中的对宇宙学的问题和误解做了一番阐释。

    大爆炸之前是什么?在普朗克时间10e-43s之前,量子效应使得时间的方向完全失去了意义,我们不能谈论比这更早的时间;

    宇宙的边界在哪里?宇宙是有限而没有边界的,它是一个完整的时空流形。

    大爆炸的能量来源是什么?据信来自于真空相变蕴含的巨大能量。

    银河系中心是什么?是一个有四百万太阳质量的巨大黑洞,全世界的天文学家期望最近给它拍一张高分辨率的照片来。

    人类文明可能面临的宇宙尺度的灾难,最危险的是银河系内的gamma射线暴,这将几乎肯定地杀死银河系内的所有碳基生物;假天之幸,这样的事情没有发生,那么在太阳变成红巨星之前,逐渐变亮(一亿年1%)的它将在15亿年终将整个地球上的水资源蒸发殆尽,甚至在此之前,地球就有可能陷入火星的危机,大气二氧化碳化,变得无法居住。

    人类的延续究竟该以哪种方式进行,恐怕还是一个宏大的问题。


公共问答环节:

Q:清华工物系学生,想了解对暗物质探测的预期

A:倾向于认为,有着比较大的质量,但更可能根本找不到。

热心观众提问

 Q:对费米悖论(为什么找不到外星人)的看法?

A:人类在通过各种途径被动接收外星的信号,并主动寻找到水和有机物分子,对此前景表示乐观

 

Q:您为什么要从事天文学研究?

A:这是我的爱好,以爱好为工作的人从不会感到心理上的疲倦。

 

Q:假如月球不存在,地球上的生命会受到什么影响?

A:可能会对潮汐有所影响,但对生命影响不大

 

Q:宇宙间会不会存在大量聚集的反物质?

A:观测不支持,倘若是,我们期望看到正反物质交界面不休止的湮灭过程。

 

Q:虫洞是什么?

A:广义相对论预言的时空区域,是黑洞的出口。

 

Q:(来自整理者)我曾和Milgrom教授有过一面之缘,几乎被MOND理论在星系尺度的完美预言说服,虽然明白因为它不是相对论性的因而不可能是最终理论,但相信可能是某种高级理论的近似,你对这个看法有什么回应?

A:我曾经也相信过MOND理论,但在星系团尺度上,光度中心和引力的中心并不重合,这和这个理论相矛盾。我们有理由认为存在更好的理论。

热心观众提问

    讲座在热烈友好的氛围中落下帷幕,讲座后负责场务的青天会骨干和武院士合影留念。


文 | 张湛伯

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