高山書院GASA：以下根據(jù)張雙南于2020年10月22日在高山書院錦屏山站的部分課程內(nèi)容整理而成,，經(jīng)老師審核后公開發(fā)布。點(diǎn)擊文末閱讀原文,，了解更多,。

授課老師：張雙南，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員,，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室伽馬暴偏振實(shí)驗(yàn),、“慧眼”天文衛(wèi)星以及中國(guó)載人航天工程空間天文與天體物理領(lǐng)域?qū)＜医M首席科學(xué)家,。

張雙南教授，2020年10月22日在高山書院錦屏山站

“我們從哪兒來,，又將往哪兒去,？”一直是關(guān)于宇宙身世兩個(gè)懸而未決的謎團(tuán)。

關(guān)于它的出生,，答案很簡(jiǎn)單,，對(duì)天文學(xué)稍有關(guān)注的朋友這一刻心里可能都有了答案——宇宙大爆炸。

但比起簡(jiǎn)單的答案,，科學(xué)一步步求解的過程其實(shí)更彌足珍貴,。因?yàn)?strong>求索過程中的方法與精神，是我們將科學(xué)真正融入自己生活中的關(guān)鍵,，也是科學(xué)教育更重要的一環(huán),。

那么人類究竟是怎么樣從渺小的地球“坐井觀天”，總結(jié)出宇宙今天浩瀚樣貌的呢,？

宇宙身世不是傻問題

有人認(rèn)為“宇宙有沒有起點(diǎn)”是不值一提的問題,，因?yàn)槿f(wàn)事萬(wàn)物有始有終，宇宙自然也有,。乍聽有理,，但其實(shí)不然，要論證一件事,，不能那么簡(jiǎn)單輕率,。

平時(shí)我們所謂的萬(wàn)物有始有終，其實(shí)只是科學(xué)上的各種轉(zhuǎn)化,。今天我們知道,，能量與物質(zhì)之間、元素與元素之間,、反應(yīng)物與生成物之間都可以轉(zhuǎn)化,。但這些都不過是轉(zhuǎn)化而已,。而宇宙是萬(wàn)物的總和，萬(wàn)物有始有終（轉(zhuǎn)化）并不能說明宇宙也必然有始有終,，這邏輯不一定通,。

有人說，咱們古代的老子早就解決了這個(gè)問題,。他說過：道生一,、一生二、二生三,、三生萬(wàn)物,。宇宙就是這么來，問題解了,。但這是哲學(xué),。就像《張雙南：如果把這些方法帶進(jìn)生活，生活就是科學(xué)》里說的,，它無法拿出證據(jù)證明宇宙就是這么來,，也不能做出任何相關(guān)的預(yù)言。這是哲學(xué)和科學(xué)的一個(gè)主要不同之處,。

牛頓與愛因斯坦太傻

在西方科學(xué)史上,，在哈勃之前，包括牛頓與愛因斯坦在內(nèi)的天文學(xué)家一直認(rèn)為：宇宙無始無終,，并靜止不變,。

因?yàn)榘串?dāng)時(shí)的天文觀測(cè)，除了太陽(yáng)系內(nèi)的行星繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)之外,，其他的恒星在天上看起來是一動(dòng)不動(dòng)——這也是為什么恒星被稱之為恒星,。

對(duì)于這靜止的宇宙，牛頓是這么解釋的：宇宙中有很多天體,，而每一個(gè)天體都受到所有其他天體引力的作用,，整體扯平了，總受力為零,，所以天體不動(dòng),。

乍一聽，這解釋挺好,，但其實(shí)牛頓當(dāng)時(shí)就知道這說法并不成立,。因?yàn)樘焐袭吘褂刑祗w在動(dòng)，比如行星的公轉(zhuǎn),，而牛頓的萬(wàn)有引力定律假設(shè)了所有天體之間都拉著某條隱形的繩子,，所以只要一個(gè)天體動(dòng)了，引力作用照理來說會(huì)瞬時(shí)傳給其他天體,，所謂靜止的天體系統(tǒng)也就自然崩潰了,。

在牛頓的失利后,，愛因斯坦也加入到了探索陣容。他用自己建立好的廣義相對(duì)論,，對(duì)宇宙的靜態(tài)進(jìn)行了一番解釋：廣義相對(duì)論的引力,，本質(zhì)上是空間的彎曲，所以一個(gè)天體的運(yùn)動(dòng)無非是引起了它附近的時(shí)空變化,，再以光速（而非瞬時(shí)）向外傳遞,，所以其他地方還能大致處于平穩(wěn)。

乍一聽,，算是解決了牛頓遇到的麻煩,。但經(jīng)過計(jì)算，他發(fā)現(xiàn)了一道更大的難題：雖然天體系統(tǒng)不至于崩潰,，但也不能維持靜態(tài),，要么膨脹，要么收縮,。

他和牛頓都一樣，得不到一個(gè)預(yù)想的寧?kù)o,、和諧,、靜止不動(dòng)的宇宙。以今天的科學(xué)去看,，這樣的預(yù)想太傻了,，但其實(shí)不然。

一方面,，當(dāng)時(shí)天文的觀測(cè)給科學(xué)家提供的線索就那么多,，而科學(xué)是不能脫離觀測(cè)去憑空臆想的；

另一方面,，正如蘇軾《題西林壁》里：橫看成嶺側(cè)成峰,，遠(yuǎn)近高低各不同。不識(shí)廬山真面目,，只緣身在此山中,，我們作為一顆塵埃身在宇宙當(dāng)中，要想還原宇宙的來龍去脈,，本身就是一件極難的事,。

哈勃兩度推翻前輩

那么兩大物理巨匠對(duì)宇宙的困惑，后來是怎樣搞清楚的,？這就關(guān)系到我們?nèi)绾伟烟祗w與我們之間的距離測(cè)準(zhǔn),。

方法1：三角視差法

我們都知道：地球繞著太陽(yáng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在半年當(dāng)中,，地球從太陽(yáng)的一端跑到的另一端,，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的三角幾何,，而我們一旦測(cè)準(zhǔn)了地球與太陽(yáng)的距離，以及半年內(nèi)天體角度的變化,，我們就可以計(jì)算出天體和地球的距離,。

不過，對(duì)于過于遙遠(yuǎn)的天體（比如銀河系外）,，這角度就變得極其的小,，一旦超出望遠(yuǎn)鏡的角分辨率，測(cè)量方法就失效了,。

方法2：造父變星

后來,，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種天體，叫造父變星,。這類天體的亮度有著周期性的變化,，而且科學(xué)家在它身上發(fā)現(xiàn)了一條有用的規(guī)律，就是光變周期越長(zhǎng),，則光度越高,。這意味著當(dāng)我們知道一顆造父變星的周期，我們也知道了它的絕對(duì)光度,。

雖然科學(xué)家當(dāng)時(shí)對(duì)這條規(guī)律的背后原理不明所以,，但它卻為天體測(cè)距打開了一條新的路徑。

就像一根蠟燭,，當(dāng)它離我們?cè)竭h(yuǎn),，看起來便越暗淡。那么只要我們能確認(rèn)蠟燭本身的絕對(duì)光度（叫作標(biāo)準(zhǔn)燭光）,，我們便能從實(shí)際觀測(cè)到的亮度,，去倒推天體和我們之間的距離。

通過這個(gè)測(cè)距辦法,，哈勃發(fā)現(xiàn)：原以為處于銀河系之內(nèi)的很多云狀物,，實(shí)際上離銀河系非常遠(yuǎn)，同時(shí)數(shù)量卻極多,，在望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)一步觀測(cè)下,，發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)構(gòu)其實(shí)和銀河系類似。

由此,，哈勃得出了一個(gè)結(jié)論：宇宙其實(shí)是巨大無邊,，充滿了無數(shù)個(gè)銀河系般的星系——不過大歸大，這時(shí)候宇宙在哈勃的理解中仍然是靜止不動(dòng)的,。

隨著宇宙巨大無邊,，哈佛也喚醒了古老而著名的奧伯斯佯謬。（了解更多：張雙南老師的七次宇宙觀飛躍課程鏈接）

如果宇宙真的有無數(shù)個(gè)星系，那么我們?cè)诘厍蛏侠懋?dāng)接收到數(shù)學(xué)上無窮多的星體所發(fā)出的光,，這么積分起來,，無窮大的光總量，豈不是會(huì)讓我們亮瞎眼,？然而,，我們并沒有被亮瞎眼，夜空仍舊美麗,。

對(duì)這個(gè)矛盾,，最初哈勃也異常困惑，但他很快找到了答案,。答案就來自于他下一個(gè)發(fā)現(xiàn)：宇宙不是靜止的,。

方法3：紅移

打個(gè)比方：一輛汽車往外發(fā)射（或反射）某個(gè)固定頻率的電磁波,。

根據(jù)我們接收到的電磁波變化,，我們能知道車子處于什么狀態(tài)——如果頻率不變,，說明車子不動(dòng),；如果頻率變低，說明車子正遠(yuǎn)離自己,；如果頻率變高,，說明車子正奔向自己,。而頻率的變化幅度,，利用多普勒方程,，可以進(jìn)一步得出物體的移動(dòng)速度。

多普勒效應(yīng)同樣可以用來測(cè)量天體的運(yùn)動(dòng)速度,。拿天體原子所發(fā)出的光譜線和地球?qū)嶒?yàn)室相同原子發(fā)出的光譜進(jìn)行比對(duì)，如果頻率變高（=波長(zhǎng)變短,，稱作藍(lán)移）,，代表天體沖著我們而來；如果頻率變低（=波長(zhǎng)變長(zhǎng),，稱作紅移）,，代表天體背著我們而去。

當(dāng)然,，這里科學(xué)家都做了一個(gè)必要的假設(shè)：宇宙的現(xiàn)象和地球的現(xiàn)象遵守相同的物理規(guī)律,。

最后，哈勃發(fā)現(xiàn),，天體都在離我們而去,，而且離得越遠(yuǎn)，動(dòng)得越快——哈勃定律,，也衍生成了今天測(cè)距的重要方式,。

當(dāng)下的一些測(cè)距方式

既然天體如今正離我們而去，由于物理定律從時(shí)間上是對(duì)稱的，那么讓時(shí)間倒流的話,，天體必然沖著我們而來,，最終聚在一個(gè)起點(diǎn)上。

于是,，哈勃從宇宙的膨脹,，發(fā)現(xiàn)了宇宙的起點(diǎn)。

回到剛才的佯謬,。既然宇宙有起點(diǎn),，那么宇宙的壽命就有限，而在有限的時(shí)間內(nèi)光線傳到地球需要時(shí)間,，所以我們只能接收到有限的天體的光,。如此一來，亮瞎眼的矛盾也就迎刃而解,。

宇宙起源于一場(chǎng)爆炸,？

沿著哈勃的發(fā)現(xiàn)延伸，宇宙之初萬(wàn)物都聚在一起,，物質(zhì)密度極其之高,，從這么高的密度開始分離開，必然發(fā)生了一場(chǎng)爆炸,。宇宙大爆炸的推論,，就是這么簡(jiǎn)單——至于怎么爆炸，那是另外一回事,。

但作為一個(gè)科學(xué)理論,，大爆炸理論必須經(jīng)過觀測(cè)驗(yàn)證，并有能力預(yù)言,。

根據(jù)大爆炸理論,，宇宙早期在爆炸下溫度非常的高，然后隨著膨脹而降低,，一直降到今天,，經(jīng)過計(jì)算，只有大約零下270度,，而這對(duì)應(yīng)著一個(gè)微波段的黑體輻射,。不過根據(jù)黑體輻射定律（輻射強(qiáng)度與溫度的三次方成正比），這么低溫的輻射強(qiáng)度非常弱,，幾乎所有人都認(rèn)為無法驗(yàn)證,。

然而1965年，兩個(gè)本來做通訊雷達(dá)的射電天線工程師,，卻無心插柳地發(fā)現(xiàn)了某個(gè)來自于四方八面的神秘噪音,，最終確認(rèn)為微波背景輻射,，驗(yàn)證了宇宙大爆炸的基本預(yù)言。

經(jīng)過科學(xué)家多年來一片片的線索拼圖,，最終建立了這么一個(gè)圖像：

宇宙大爆炸理論模型

宇宙的起點(diǎn)是一場(chǎng)大爆炸,。爆炸后的早期溫度極高，宇宙沒有粒子,、只有能量,；后來逐漸冷卻，過程中先產(chǎn)生基本粒子湯里的各種夸克,、輕子等粒子,，再進(jìn)一步產(chǎn)生原子、分子,。然后再繼續(xù)冷卻,，最終在引力的作用之下，一團(tuán)氣體收縮產(chǎn)生了恒星,，而足夠多的恒星再相互吸引聚成了團(tuán),，形成星系。當(dāng)然,，在星系里,，更多的恒星會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生與死亡，所以星系也有了演化,。

而這一個(gè)大爆炸模型,，結(jié)合其他恒星演化理論，和我們今天已知的物質(zhì)和元素,，吻合度是意外地高,。

宇宙中，占了75%元素以上的氫和氦,，是由大爆炸直接產(chǎn)生的,。當(dāng)然單是這方法，還不足以形成所有物質(zhì),，尤其是金、鉑,、鈾等重金屬元素,。所以除了大爆炸核合成，科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了其他的路徑,，如恒星內(nèi)部的核反應(yīng),、兩個(gè)中子星并合在一起、白矮星爆炸,、宇宙射線造成元素裂變等理論,。

不同顏色表示了元素的不同產(chǎn)生方式

根據(jù)這些理論的推算結(jié)果，已經(jīng)可以清楚地解釋出周期表中所有元素的生成，而且這些元素的比例和我們從地球,、太陽(yáng)系以及宇宙直接測(cè)量到的比例一致,。

所以，大爆炸理論確實(shí)是當(dāng)下一個(gè)很好的宇宙理論模型,。（關(guān)于大爆炸的更多疑問,，敬請(qǐng)期待下一篇高山經(jīng)典課程 ）

炸得好，但不夠好

然而,，大爆炸預(yù)言和我們的實(shí)際觀測(cè),，還是有些不契合。

如果宇宙就是這么膨脹,，由于天體之間有引力,，膨脹照理應(yīng)該越來越慢，就像我們?cè)诘厍蛲蠏伋鲆粋€(gè)石頭,，石頭在引力作用下怎么都應(yīng)該變慢——除非石頭后裝了什么未知的發(fā)動(dòng)機(jī),。

然而在1998年，三個(gè)天文學(xué)家確認(rèn)了宇宙的膨脹恰恰是越來越快,。

這說明了：“天體之間只有引力”這一個(gè)原以為絕不可能錯(cuò)的假設(shè),，是真的錯(cuò)了——在石頭背后，還真的就存在一臺(tái)未知的發(fā)動(dòng)機(jī),，產(chǎn)生著排斥力,。而這些排斥力就超過了天體之間的引力，造就了這個(gè)加速膨脹的宇宙,。

這種斥力機(jī)制,，我們姑且稱為暗能量，就是大爆炸模型完全缺失的一大拼圖之一,。

宇宙的終點(diǎn)

宇宙的未來,，很大程度上取決于暗能量的性質(zhì)。

未來,，宇宙可能再塌縮回一個(gè)起點(diǎn),，也可能繼續(xù)膨脹——臨界膨脹、滑行膨脹或加速膨脹,，甚至于大撕裂,，把萬(wàn)物扯得粉碎。

這些都是可能性,，但究竟哪一個(gè),，只要暗能量一天沒搞清楚，宇宙的未來也就理不明白,。

但我們始終在路上,，尋找真相,。眼前還看不到終點(diǎn)，但回過身看,，這一路好像也已經(jīng)走得挺遠(yuǎn),。