宇宙中最难理解的是什么？

宇宙中最难以理解的事情是宇宙本身是可以被理解的。——爱因斯坦

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我们身处何方？  

2019年诺贝尔物理学奖获授予皮布尔斯（James Peebles）以及马约尔（Michel Mayor）、奎洛兹（Didier Queloz），获奖理由为：

For contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos. 

帮助人类理解宇宙的演化，以及地球在宇宙中所扮演的角色。

其中，James Peebles因物理宇宙学中的理论发现（for theoretical discoveries in physical cosmology）而获奖，Michel Mayor、Didier Queloz则是因为发现了绕类日恒星的系外行星（for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star）。

这不仅是一个科学本身的理性评价，更彰显出人类对自身与宇宙关系一直以来的疑惑和追问。

人类到底在宇宙中扮演什么样的角色？

人类对于宇宙的认知

谈及科学，言必称古希腊。古希腊学者通过肉眼观测以及激烈辩论来不断认识世界。萌芽于米利都学派、由欧多克斯最早提出、经亚里士多德及其弟子的完善，最终在托勒密的收集整理下，“地心说”诞生了。

地心说依附《圣经》的绝对权威统治了欧洲漫长的中世纪。爆发于14世纪的黑死病蔓延欧洲，夺走了数千万人的生命，另一方面，这也促使人们开始突破枷锁、质疑权威，推动了文艺复兴的进展。

哥白尼穷尽一生，临终前出版了皇皇巨著《天体运行论》，提出了“日心说”，改变了人类的宇宙观。这是文艺复兴的一个光辉顶峰。

大航海时代，不仅在地理方面有了大发现，在望远镜的加持下，人们对宇宙也有了全新的认识。

伽利略用改进的望远镜观察到了木星的四颗卫星，它们围绕木星而不是地球做周期运动，有力地反驳了“地心说”；第谷常年累月观察行星的运动并记录了大量数据，开普勒将其总结为行星运动三大规律，有力地支持了“日心说”。而标志着“日心说”最后胜利的是牛顿的旷世之作——《自然哲学的数学原理》。牛顿力学体系在整个太阳系的环境内，比较精确地描述了行星的运动轨迹，并在笔尖上计算出了海王星的存在，与实验观测完全一致，令人叹为观止。

工业革命的轰鸣将人类带进了新阶段，科学也迅速发展，到20世纪，物理学看似“已臻完善”。英国著名物理学家开尔文爵士在回顾之前的物理成就时，难掩激动地声称物理学的大厦已经落成，但话锋一转，同时忧心忡忡地讲到：晴朗的天空还有两朵乌云—— 以太漂移与黑体辐射紫外灾难。

这些反常折磨着理论物理学家，漂亮简洁的牛顿力学竟然不是真正的宇宙游戏规则。这震撼人心的壮丽，难道是旧时代斜阳下最后的余晖？难道牛顿，拉普拉斯，哈密顿，麦克斯韦等人建立的物理大厦真要即将坍塌？

谁要出来拯救这个宇宙？谁将勇敢的站出来，力挽狂澜之即倒，扶大厦之将倾？

没错，一个核心人物就是那个男人。物理学中的神——Albert Einstein！

1905年，瑞士。当时才26岁的爱因斯坦还是专利局小职员。他手持洛伦兹变换，假定光速不变，于是，高速运动的物体时间变慢了，长度也缩短了。我们的时间和空间状态不再是绝对的，而是交织在一起。

狭义相对论后，爱因斯坦又耗费十年，一己之力提出了广义相对论，成功解释了牛顿体系大厦的裂缝——水星近日点进动问题。广义相对论，用物理学家惠勒的总结，就是“时空决定物质如何运动，物质决定时空如何弯曲”。1919年，英国天文学家爱丁顿成功观察到了时空弯曲导致的光线偏折，宣告了广义相对论的成功。

从此之后，科学家对宇宙的思考进入了新的时期。一系列让人敬畏的成果如雨后春笋般冒出。

哈勃，美国天文观测家。20世纪30年代，他发现近邻的一些星系正在远离我们而去，从此人类意识到宇宙不是静止的，而是在不断膨胀！

伽莫夫，最早的一批宇宙学家之一。他利用刚刚兴起的核合成的理论，与膨胀宇宙的环境背景结合，提出了原初核合成的理论学说。这个理论描述了宇宙在诞生之后大约3分钟开始，一直到20分钟结束这段时间里宇宙中最轻的氢和氦是怎么聚合而成。他所计算出的氢元素和氦元素的丰度与实验观测相差无几，基于此，逐渐形成了我们今天所熟悉的宇宙学标准图像——热大爆炸（hot big bang）宇宙学说。

热大爆炸（hot big bang）宇宙学说 

来源：原理

皮布尔斯，普林斯顿。他极具想象力地把宇宙微波背景辐射的涟漪与大尺度上所看到的星系相联系，利用统计学的方法去研究这些看似杂乱无章的大尺度结构之间所暗藏着的线性关联。从此，宇宙学也成为了一门精密的科学。2019年，皮布尔斯被授予诺贝尔奖。

大尺度宇宙结构

如今人类对宇宙的认识

热大爆炸宇宙学

今天人类对整个宇宙的认知是基于热大爆炸宇宙学说的。

宇宙创生于大约138亿年前奇点的大爆炸。原初时期，会有频繁的量子涨落，大约10^-30秒的时间里面宇宙的体积被放大了10⁸⁰倍，这一过程称为暴胀（inflation）。然后随着宇宙温度的降低，夸克结合成质子、中子。在3分钟到20分钟的时候，原初核合成阶段：我们宇宙开始实现化学元素的合成，主要是氢，氦。

致密、浓稠、高温的“等离子汤”充斥宇宙，演化到38万年的时候，温度继续降低，自由电子速度变慢而被捕获，中性粒子开始形成。光子得以自由，宇宙第一次变透明，而光子作为背景辐射留存下来，经过空间的不断膨胀，波长被拉长，时至今日，便是今天所观测到的宇宙微波背景辐射。

之后，宇宙历经将近四亿年的黑暗时期，直到第一代恒星被点燃。然后进行了相当漫长的演化，形成了今天的星系结构。

热大爆炸宇宙的物理图像是经观测验证过的，是迄今为止人类描述宇宙最好的理论。COBE卫星、WMAP卫星、南极的BICEP地面观测，以及欧洲的Planck卫星，都强有力地支持着宇宙标准模型。当然还有我们中国正在建造的AliCPT设备，也将对热大爆炸宇宙进行检验。

宇宙微波背景辐射

20世纪60年代，两位无线电专家—— 彭齐亚斯（Amo Penzias）和威尔逊（Robert Wilson），在调试天线的过程中被幸运女神眷顾。挥之不去的背景噪声让他们疑惑，经过皮布尔斯计算，原来这就是神坛上的宇宙微波背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊因这个重要的发现获得了1978年诺贝尔物理学奖。

宇宙是一个有温度的宇宙，到今天这个温度是2.725K。

在宇宙微波背景辐射当中，除了有微小的温度涟漪之外，还有偏振的信息。

在2017年春天，国际上30多位顶级物理学家（包括4位诺奖获得者和1位菲尔兹奖获得者）在一起互相争论，争论的主题是宇宙起源。他们最终的辩论结果是：原初引力波的测量，也就是对于宇宙微波背景辐射中的B模式偏振的测量，对于我们理解宇宙起源至关重要。

探索原初引力波能够帮助人类更好的了解宇宙在最原初的时期到底发生了什么。时间有起点吗?宇宙大爆炸是否真的存在过？异或经历了反弹？

为了去探索宇宙微波背景辐射中的偏振图像，2014年中国科学院牵头，包括中科大在内的国内多家单位参与，提出来了中国自己的原初引力波探测项目。

宇宙是由什么组成的？

据目前的理论和观测，由原初核合成所描述的宇宙的组分到目前为止还不到4.3%，剩下的超过95%的宇宙组分是我们看不到的，统称为“暗黑的宇宙”。暗黑的宇宙当中大约有25%是暗物质，还有70%左右是由暗能量组成。

暗物质、暗能量到底是什么？目前为止，宇宙学家并不知道这个答案是什么。

有人说，暗物质和暗能量是笼罩在21世纪物理学上空的新乌云。确实，美剧The Big Bang Theory中的Sheldon感叹超弦理论强弩之末，于是转行去研究暗物质了。伟大的物理学家杨振宁也说过：暗物质是非常稀奇的事物，假如一个年轻人，他觉得一生的目的就是做革命性的发展，那他就应该去学习天文物理学。

宇宙的组成

系外行星

我们把思绪从宇宙的边界拉回地球。

30年前，旅行者1号已经飞离地球60亿公里，向着荒凉的太阳系边缘前进。在科幻作家卡尔·萨根强烈建议下，NASA操控它回望了太阳[1] ，拍摄了著名的照片——暗淡蓝点。

最近科学家利用最新技术，重洗了这张著名的照片。  

再看看那个光点吧。那是此地，那是家园，那是我们。你所爱的每一个人，你所知的每一个人，你所闻的每一个人，曾经存在的每一个人，都在它上面度过一生。我们的悲喜相加，千百个自以为是的宗教、意识形态和经济学说，每一个猎人与强盗，每一个英雄与懦夫，每一个文明的缔造者与毁灭者，每一个国王与农夫，每一对青春爱侣，每一对母亲父亲，憧憬的孩童，发明家与探险家，每一个德行崇高的教师，每一个贪污腐败的政客，每一个“超级明星”，每一个“最高领袖”、人类历史上的每一个圣人与罪人，都住在这里——一粒悬浮在阳光中的微尘。

                                                                    —卡尔·萨根《暗淡蓝点》

   

从太空观察地球，它如此渺小和脆弱。人类一直遥望星空，如果有一天人类不得不离开太阳系，可以去哪里？上世纪30、40年代，就已经有理想主义的科学家如此发问，并试图寻找系外行星的存在。

随着观测手段的进步，分辨率大大提高。终于，在奎洛兹和他当时的导师马约尔锲而不舍的努力下，在1995年，宣布发现了第一颗绕类日恒星的系外行星——围绕飞马座51的一个气体行星。更早发现的另外两颗系外行星（其母星分别是死亡恒星和僵尸恒星），对于生命和人类的意义相对不大。

从此，太阳系的行星不再是孤独的，在遥远的宇宙角落，说不定也有一个智慧生命正在观察我们。截至今年，人类已经发现了4000多枚系外行星。

太阳系在宇宙中位置

宇宙中最难理解的是什么？

梵高，荷兰，伟大的艺术家。他所画的星空的图案和宇宙微波背景辐射中看到的偏振图像，有很多的类似之处。人类最高的艺术和最顶尖的科学竟然表现出共同点。这种简洁的统一性，是包括爱因斯坦在内的物理学家的毕生梦想。

100年前，爱因斯坦接受采访，记者问他：你认为宇宙最难以理解的是什么？爱因斯坦当时不假思索地说了一句话，影响了一代又一代的科学家。他认为宇宙中最难以理解的事情是宇宙本身是可以被理解的。在宇宙中，人类只是一粒尘埃的存在，一个非常微不足道的存在，但是就这么一个微不足道的尘埃般渺小的人类，能够演化出非常高度的文明，并且这种文明能够认知、了解宇宙的奥秘。在我看来，这是宇宙中最不可理解的一件事情。

探索宇宙，不管类似农场主与火鸡理论，还是新的乌云把我们知识体系再一次砸烂，自然永远不肯向我们人类低下它那高傲的头颅。异或像西西弗斯推石头一样，追寻、探究永远没有尽头？没有答案，我们只能义无反顾。

我相信在人类谦卑的探索中，其勇气与坚毅将永刻于星空之下。

中国科学技术大学教授蔡一夫演讲于墨子沙龙。2019年10月26日

整理：头文字D，王佳