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。點擊文末閱讀原文，了解更多。
授課老師：張雙南，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員，中國科學(xué)院大學(xué)教授，天宮二號空間實驗室伽馬暴偏振實驗、“慧眼”天文衛(wèi)星以及中國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)于宇宙身世兩個懸而未決的謎團。
關(guān)于它的出生，答案很簡單，對天文學(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。
但比起簡單的答案，科學(xué)一步步求解的過程其實更彌足珍貴。因為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
有人認為“宇宙有沒有起點”是不值一提的問題，因為萬事萬物有始有終，宇宙自然也有。乍聽有理，但其實不然，要論證一件事，不能那么簡單輕率。
平時我們所謂的萬物有始有終，其實只是科學(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。而宇宙是萬物的總和，萬物有始有終（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問題。他說過：道生一、一生二、二生三、三生萬物。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)家一直認為：宇宙無始無終，并靜止不變。
因為按當時的天文觀測，除了太陽系內(nèi)的行星繞著太陽運動之外，其他的恒星在天上看起來是一動不動——這也是為什么恒星被稱之為恒星。
對于這靜止的宇宙，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。
乍一聽，這解釋挺好，但其實牛頓當時就知道這說法并不成立。因為天上畢竟有天體在動，比如行星的公轉(zhuǎn)，而牛頓的萬有引力定律假設(shè)了所有天體之間都拉著某條隱形的繩子，所以只要一個天體動了，引力作用照理來說會瞬時傳給其他天體，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論，對宇宙的靜態(tài)進行了一番解釋：廣義相對論的引力，本質(zhì)上是空間的彎曲，所以一個天體的運動無非是引起了它附近的時空變化，再以光速（而非瞬時）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，得不到一個預(yù)想的寧靜、和諧、靜止不動的宇宙。以今天的科學(xué)去看，這樣的預(yù)想太傻了，但其實不然。
一方面，當時天文的觀測給科學(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，遠近高低各不同。不識廬山真面目，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準。
方法1：三角視差法
我們都知道：地球繞著太陽進行運動。在半年當中，地球從太陽的一端跑到的另一端，形成一個簡單的三角幾何，而我們一旦測準了地球與太陽的距離，以及半年內(nèi)天體角度的變化，我們就可以計算出天體和地球的距離。
不過，對于過于遙遠的天體（比如銀河系外），這角度就變得極其的小，一旦超出望遠鏡的角分辨率，測量方法就失效了。
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，則光度越高。這意味著當我們知道一顆造父變星的周期，我們也知道了它的絕對光度。
雖然科學(xué)家當時對這條規(guī)律的背后原理不明所以，但它卻為天體測距打開了一條新的路徑。
就像一根蠟燭，當它離我們越遠，看起來便越暗淡。那么只要我們能確認蠟燭本身的絕對光度（叫作標準燭光），我們便能從實際觀測到的亮度，去倒推天體和我們之間的距離。
通過這個測距辦法，哈勃發(fā)現(xiàn)：原以為處于銀河系之內(nèi)的很多云狀物，實際上離銀河系非常遠，同時數(shù)量卻極多，在望遠鏡的進一步觀測下，發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)構(gòu)其實和銀河系類似。
由此，哈勃得出了一個結(jié)論：宇宙其實是巨大無邊，充滿了無數(shù)個銀河系般的星系——不過大歸大，這時候宇宙在哈勃的理解中仍然是靜止不動的。
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)個星系，那么我們在地球上理當接收到數(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，豈不是會讓我們亮瞎眼？然而，我們并沒有被亮瞎眼，夜空仍舊美麗。
對這個矛盾，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發(fā)現(xiàn)：宇宙不是靜止的。
方法3：紅移
打個比方：一輛汽車往外發(fā)射（或反射）某個固定頻率的電磁波。
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；如果頻率變低，說明車子正遠離自己；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，可以進一步得出物體的移動速度。
多普勒效應(yīng)同樣可以用來測量天體的運動速度。拿天體原子所發(fā)出的光譜線和地球?qū)嶒炇蚁嗤影l(fā)出的光譜進行比對，如果頻率變高（=波長變短，稱作藍移），代表天體沖著我們而來；如果頻率變低（=波長變長，稱作紅移），代表天體背著我們而去。
當然，這里科學(xué)家都做了一個必要的假設(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，動得越快——哈勃定律，也衍生成了今天測距的重要方式。
當下的一些測距方式
既然天體如今正離我們而去，由于物理定律從時間上是對稱的，那么讓時間倒流的話，天體必然沖著我們而來，最終聚在一個起點上。
于是，哈勃從宇宙的膨脹，發(fā)現(xiàn)了宇宙的起點。
回到剛才的佯謬。既然宇宙有起點，那么宇宙的壽命就有限，而在有限的時間內(nèi)光線傳到地球需要時間，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。
宇宙起源于一場爆炸？
沿著哈勃的發(fā)現(xiàn)延伸，宇宙之初萬物都聚在一起，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)生了一場爆炸。宇宙大爆炸的推論，就是這么簡單——至于怎么爆炸，那是另外一回事。
但作為一個科學(xué)理論，大爆炸理論必須經(jīng)過觀測驗證，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)過計算，只有大約零下270度，而這對應(yīng)著一個微波段的黑體輻射。不過根據(jù)黑體輻射定律（輻射強度與溫度的三次方成正比），這么低溫的輻射強度非常弱，幾乎所有人都認為無法驗證。
然而1965年，兩個本來做通訊雷達的射電天線工程師，卻無心插柳地發(fā)現(xiàn)了某個來自于四方八面的神秘噪音，最終確認為微波背景輻射，驗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圖像：
宇宙大爆炸理論模型
宇宙的起點是一場大爆炸。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，形成星系。當然，在星系里，更多的恒星會進一步產(chǎn)生與死亡，所以星系也有了演化。
而這一個大爆炸模型，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、太陽系以及宇宙直接測量到的比例一致。
所以，大爆炸理論確實是當下一個很好的宇宙理論模型。（關(guān)于大爆炸的更多疑問，敬請期待下一篇高山經(jīng)典課程 ）
炸得好，但不夠好
然而，大爆炸預(yù)言和我們的實際觀測，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，就像我們在地球往上拋出一個石頭，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)動機。
然而在1998年，三個天文學(xué)家確認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”這一個原以為絕不可能錯的假設(shè)，是真的錯了——在石頭背后，還真的就存在一臺未知的發(fā)動機，產(chǎn)生著排斥力。而這些排斥力就超過了天體之間的引力，造就了這個加速膨脹的宇宙。
這種斥力機制，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
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起點，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，把萬物扯得粉碎。
這些都是可能性，但究竟哪一個，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，但回過身看，這一路好像也已經(jīng)走得挺遠。
