郭冰 中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所所長，研究員、博士生導(dǎo)師

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提到宇宙，我們會想到什么？比如恒星，宇宙里有很多像太陽這樣的恒星；比如空間站，那是我們?nèi)祟惽巴丈畹牡谝徊?；比如神秘的黑洞、外星?hellip;…近年來，關(guān)于宇宙的科幻電影和小說也是十分受歡迎的：《2012》講述了一個關(guān)于瑪雅預(yù)言、地球末日的故事，設(shè)想了一個太陽活動突然加劇的故事背景，由此產(chǎn)生出的很多中微子導(dǎo)致了地球核心的加熱、融化，最終引發(fā)了大海嘯。當(dāng)然，這是一個科幻的想象，中微子盡管是天體物理研究中的重要內(nèi)容，但與物質(zhì)的相互作用概率是非常低的，也正因如此才被稱為宇宙的信使，為我們帶來了宇宙深處的信息?！缎请H穿越》的故事中，主人公在乘坐宇宙飛船進(jìn)行星際航行時，遭遇了宇宙中最神秘的天體——黑洞，并為我們展示了關(guān)于黑洞的科幻想象。作為一部優(yōu)秀的國產(chǎn)科幻電影，《流浪地球》取得了巨大反響，使2019年被譽(yù)為中國科幻電影元年，講述的是太陽到了“晚年”并開始燃燒其中的氦元素，將會使地球所處的位置不再適合生物生存，于是人類要“帶著地球去流浪”，尋找新的家園。著名科幻小說《三體》，描繪了一個生存在由三顆恒星組成的極不穩(wěn)定的聚星系統(tǒng)之下的文明，發(fā)現(xiàn)了4光年之外的地球，并引發(fā)了星際文明之間沖突的背景故事。

可以說，宇宙是人類科技探索的最前沿，是科幻作品生生不息的題材。那么，我們今天的話題也將從宇宙開始。

一、宇宙的誕生

宇宙是什么？其實(shí)宇宙就是一切，從微觀粒子、原子核、中微子到最大的恒星系均囊括其中，甚至超越了人類目前所掌握的知識范圍。宇宙是我們能看到的和所知道的一切，包括物質(zhì)、能量、時間和空間。盡管我們知道，宇宙正在不斷膨脹，但是仍然不清楚宇宙到底有多大。1916年，愛因斯坦提出了廣義相對論，時至今日仍對我們研究宇宙起著非常重要的作用。宇宙是什么形狀？愛因斯坦認(rèn)為，宇宙的形狀有可能是閉合的圓球形、馬鞍形或像紙一樣平坦的。當(dāng)然，這些觀點(diǎn)目前都只是科學(xué)的猜想，并沒有得到證實(shí)。

提到宇宙，我們也就必然要提到“光”。我們在丈量距離時，通常是用米、公里等單位，但是用這些單位丈量宇宙中的距離是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以就需要用到光年。光是宇宙中最快的東西，其每秒的速度為3×108米，相當(dāng)于1秒就可以繞地球7.5圈、1.3秒就可以從地球到達(dá)月球。所以，我們現(xiàn)在主要用光年來衡量宇宙間天體的距離，即光一年能夠穿越的距離。

宇宙的組成主要有三個部分：一是普通物質(zhì)，二是暗物質(zhì)，三是暗能量。普通物質(zhì)包含了目前我們所已知的關(guān)于宇宙的一切，如所有的行星、恒星、星系等。但是，這一部分物質(zhì)只占了宇宙的5%左右。暗物質(zhì)是我們看不見、摸不著，目前沒有找到，但是有跡象表明其存在的，占了宇宙的25%左右。那么，剩下的70%左右則是更加神秘的暗能量，也是我們的宇宙加速膨脹的原因之一。

關(guān)于宇宙演化的理論，存在一個發(fā)展的過程。1922年，蘇聯(lián)物理學(xué)家弗里德曼首次闡述了愛因斯坦的引力場方程存在非靜態(tài)的解，推導(dǎo)出宇宙是一個從未停止變化的動態(tài)宇宙，從而引入了“宇宙膨脹”一詞，這就是早期的宇宙膨脹理論。在宇宙膨脹理論提出后的很長一段時間內(nèi)，科學(xué)界對其“不屑一顧”。愛因斯坦也對這一理論持懷疑態(tài)度，認(rèn)為動態(tài)宇宙是不合理的，于是便在引力場方程中又強(qiáng)加了一個“宇宙常數(shù)”，以維持靜態(tài)宇宙的計算結(jié)果。英國天文學(xué)家霍伊爾也是宇宙膨脹理論的反對者。有意思的是，大爆炸理論，不僅名稱來自霍伊爾，廣為人知也是因為他。

不過，到目前為止，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三個實(shí)驗證據(jù)，足以證明宇宙大爆炸理論的正確性：一是譜線紅移。1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)了一個驚人現(xiàn)象：不管你往哪個方向看，遠(yuǎn)處的星系正在急速遠(yuǎn)離而去，這就是譜線紅移（波長變長）現(xiàn)象。換言之，宇宙正在不斷膨脹。如果追溯到足夠遙遠(yuǎn)的過去，我們就會發(fā)現(xiàn)在某一時刻，宇宙中所有的物質(zhì)剛好集中在同一地方。所以，哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示了一個創(chuàng)生宇宙初始時刻的存在。得知這一消息后，愛因斯坦很快來到威爾遜天文臺，在哈勃的帶領(lǐng)下親自觀測了星系的譜線紅移現(xiàn)象。訪問結(jié)束后，愛因斯坦公開承認(rèn)了自己的錯誤，并去掉了引力場方程中的“宇宙常數(shù)”，于是就有了我們今天所熟知的愛因斯坦場方程。譜線紅移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是對宇宙大爆炸理論的有力支持之一。從此，天平逐漸從穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型向大爆炸理論傾斜。

二是宇宙的氦元素豐度。宇宙中最輕的元素是氫，氫氣容易著火、爆炸，而氦氣則更為安全、不易著火，相比之下是第二輕的元素。我們發(fā)現(xiàn)，恒星中產(chǎn)生的氦元素，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解釋宇宙中為什么存在這么多的氦。后來，蘇聯(lián)物理學(xué)家伽莫夫提出了著名的原初核合成理論。這一理論是大爆炸理論的一個支撐與延伸，即認(rèn)為在宇宙大爆炸之后最初的幾分鐘時發(fā)生了核合成。換句話說，在第一代或者說第一顆恒星產(chǎn)生的宇宙大爆炸后5億年左右之前，僅僅是大爆炸后的幾分鐘，核合成已經(jīng)產(chǎn)生了如此多的氦，進(jìn)而很好地解釋了宇宙中的氦元素含量，成為大爆炸理論的又一例證。

三是微波背景輻射。在上述兩個證據(jù)之后，很多人仍然反對宇宙大爆炸理論，比如認(rèn)為如果宇宙真的存在大爆炸的話，時至今日、演化多年，應(yīng)該存在溫度為3K左右的微波背景輻射才對。巧合的是，1964年，美國貝爾電話公司的年輕工程師——彭齊亞斯和威爾遜，為改進(jìn)衛(wèi)星通信建立了高靈敏度的接收天線。一天，他們在調(diào)試天線時測量到一種無線電干擾噪聲，就像以前電視機(jī)的“雪花”一樣，想了許多辦法卻始終無法去掉。他們在轉(zhuǎn)動天線時，發(fā)現(xiàn)噪聲強(qiáng)度保持不變，推斷其不是來自太陽系、銀河系或某個河外星系的射電源。經(jīng)過詳細(xì)分析和計算，他們得出結(jié)論：這一噪聲的背景溫度接近2.7K，正是大爆炸理論中的宇宙微波背景輻射。

如今，我們根據(jù)宇宙大爆炸理論，知曉了宇宙的誕生大概是什么樣子的：宇宙起源于138億年前的一次大爆炸，時間、空間都在這一瞬間產(chǎn)生。宇宙誕生于一個密度非常大、體積非常小的奇點(diǎn)，然后在不到1秒的時間內(nèi)變成一座城市般大小，且其溫度隨著不斷膨脹而降低。大約5億年后，宇宙的第一代恒星和星系開始形成。90億年后，我們的太陽系開始形成。138億年后的今天，我們的宇宙仍在不斷膨脹中。