主講人簡(jiǎn)介：
武向平，天體物理學(xué)家，1961年1月27日出生于陜西省黃龍縣，1982年畢業(yè)于西北電訊工程學(xué)院（縣西安電子科技大學(xué)），1985年獲該校碩士學(xué)位，1989年獲中國(guó)科學(xué)院北京天文臺(tái)博士學(xué)位?，F(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員，2011年當(dāng)選中科院院士。
武院士長(zhǎng)期從事宇宙學(xué)方面的研究，在理論天體物理和觀測(cè)宇宙學(xué)等方面做出了出色的成績(jī)：較早建立了星系團(tuán)的強(qiáng)引力透鏡統(tǒng)計(jì)理論，提出了在星系團(tuán)中心存在致密暗物質(zhì)暈的猜想；解釋了利用微引力透鏡效應(yīng)尋找銀河系暈暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)事例的成因，為認(rèn)識(shí)銀河系暗暈的物質(zhì)構(gòu)成起了積極作用；利用光學(xué)、X射線和引力透鏡三種方法聯(lián)合測(cè)定了諸多引力透鏡星系團(tuán)的中心質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法之偏離；利用星系群和星系團(tuán)的X射線和光學(xué)觀測(cè)資料系統(tǒng)地研究了其動(dòng)力學(xué)特性，所建立的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系被廣為采用；領(lǐng)導(dǎo)了在新疆天山地區(qū)建設(shè)用于“宇宙第一縷曙光”探測(cè)的大型低頻射電望遠(yuǎn)鏡陣列21CMA，成為國(guó)際上較早開(kāi)啟宇宙再電離探測(cè)的重大設(shè)備。曾獲中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，中國(guó)青年科學(xué)家獎(jiǎng)，2011年度何梁何利科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)等。
講座下午兩點(diǎn)在KIAA吳學(xué)兵老師的主持下準(zhǔn)時(shí)開(kāi)始。雖然北京遭到焚風(fēng)的襲擊，溫度高企，但校內(nèi)外對(duì)科學(xué)感興趣人士前來(lái)旁聽(tīng)的興趣不為少減，偌大的教室里坐滿了好奇的聽(tīng)眾。
武院士的講座很快進(jìn)入正題。下面是對(duì)他講座內(nèi)容的簡(jiǎn)單復(fù)述（其中包括本文作者的部分評(píng)述），未能前來(lái)現(xiàn)場(chǎng)一睹院士真容的遺憾概可藉此彌補(bǔ)：
從文明的第一縷曙光開(kāi)始，東西方的人類就沒(méi)有停止過(guò)對(duì)自己生存的宇宙的本質(zhì)和演化規(guī)律的想象。中文的宇宙一詞非常精當(dāng)?shù)刂赋隽宋覀兯幍臅r(shí)空的本質(zhì)，所謂上下四方曰宇，古往今來(lái)曰宙——時(shí)間而論，宇宙走過(guò)了137（或138）億年的歷史，而空間而言，宇宙的長(zhǎng)度尺度達(dá)到了4.3e26m的級(jí)別?？捎^測(cè)宇宙的主要重子物質(zhì)組成成分是約一千億個(gè)星系，而星系又由一千億個(gè)左右的量級(jí)的恒星構(gòu)成，所以宇宙中共有約10e22顆和我們太陽(yáng)類似的恒星，但這么多的物質(zhì)質(zhì)量在廣闊無(wú)垠的空間中平攤下來(lái)，密度卻只有0.4e-30g/m^3，每個(gè)平方米還遠(yuǎn)遠(yuǎn)分不到一個(gè)電子。
研究宇宙就要研究其尺度，從小到大，人類對(duì)尺度的認(rèn)識(shí)逐漸提升，從太陽(yáng)系，到可以肉眼看見(jiàn)的恒星的范圍，再到地球上的無(wú)線電波所能傳播的距離，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)人類已經(jīng)不可想象的距離，卻還局限在銀河系中并不在中心的一個(gè)狹小地域：這足以說(shuō)明，人類在宇宙中的地位并不特殊。太陽(yáng)系處在銀河懸臂上，大約每2.3億年繞銀心轉(zhuǎn)一圈，折算下來(lái)，相對(duì)速度足有87萬(wàn)km每小時(shí)，我們的銀河系所處的本星系群相對(duì)于宇宙微波背景輻射的速度更是達(dá)到了226萬(wàn)公里每小時(shí)。這些數(shù)字都說(shuō)明，宇宙學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)為語(yǔ)言的嚴(yán)肅精密的科學(xué)，而不是民科坐在屋里閉門造車得出來(lái)的，連哲學(xué)思辨也談不上的妄想。
WMAP衛(wèi)星拍攝的宇宙微波背景輻射的漲落
為了精確地了解宇宙，宇宙學(xué)的第一步就是測(cè)定天體之間已經(jīng)超出人類感知直覺(jué)的距離概念。距離地球較近的天體可以用三角視差的幾何效應(yīng)來(lái)測(cè)量，而星系尺度的目標(biāo)的測(cè)量則需借助更復(fù)雜的造父變星法。根據(jù)上個(gè)世紀(jì)20年代的美國(guó)天文學(xué)家埃德溫哈勃的測(cè)量，在星系尺度上離我們較遠(yuǎn)的星系的特征光譜都存在著表示它們?cè)谶h(yuǎn)離我們的多普勒紅移（不過(guò)在廣義相對(duì)論中這種紅移并不是真正的位移引起的），而且離我們?cè)竭h(yuǎn)，紅移就越大。稍加思考人們就可以得出，按這個(gè)規(guī)律外推，宇宙必然起源于某個(gè)狹小空間的膨脹——這個(gè)突然的膨脹過(guò)程被稱為大爆炸。
大爆炸絕不是異想天開(kāi)的猜想，它以堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)，所作出的預(yù)言也一一在觀測(cè)中得到了應(yīng)驗(yàn)。首先就是上世紀(jì)中期由美國(guó)海軍的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射，這是早期宇宙中輻射和物質(zhì)脫耦時(shí)留下的一張快照，它今天已經(jīng)被紅移到了160.2GHz，1.873mm的微波波段，這正好也是人類通訊常用的一個(gè)波段。當(dāng)電視信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，滿屏的雪花里，就有百分之幾的成分來(lái)自它的貢獻(xiàn)。
最早觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射和黑體的輻射譜完美重合，這代表著一個(gè)完全均勻沒(méi)有任何差異的物質(zhì)分布，但這樣的分布絕不可能引起今天宇宙間豐富的由引力束縛的大尺度結(jié)構(gòu)，人們一直在嘗試尋找它的漲落，終于在COBE WMAP和Planck三顆天文衛(wèi)星的不懈努力下，人們觀測(cè)到了宇宙微波背景輻射相對(duì)大小為十萬(wàn)分之一的漲落，這張圖片顯示了這一點(diǎn)，它被稱為：上帝臉譜。所有這些微不足道的漲落，蘊(yùn)含著此后一切引力引起的宇宙演化的種子。
宇宙大爆炸的另一個(gè)觀測(cè)證據(jù)在于它對(duì)宇宙化學(xué)組分的精確預(yù)言。按照理論計(jì)算，宇宙大爆炸后，當(dāng)溫度冷卻到某個(gè)特定的溫度時(shí)，核合成過(guò)程就終止了，所以宇宙中的絕大部分原子核應(yīng)該只是在這個(gè)溫度前生成的四分之三的氫與四分之一的氦，這和77：23的觀測(cè)數(shù)據(jù)完美符合。比鋰重的元素，都要在恒星過(guò)程中產(chǎn)生，恒星的核燃燒可以一直生成到比結(jié)合能最大的鐵，而比鐵重的元素，幾乎都來(lái)自超新星爆發(fā)、中子星并合等劇烈的天體物理過(guò)程，在這個(gè)意義上講，由重元素構(gòu)成的地球和我們，都是恒星的灰燼。
較為有趣地，金子的珍貴源于其稀少，而其稀少則源于可以產(chǎn)生金子的中子星并合過(guò)程的渺茫。其他一些有意思的物質(zhì)構(gòu)成的星體，比如鉆石構(gòu)成的白矮星，也被人們發(fā)現(xiàn)了。
大爆炸理論的另一個(gè)證明，來(lái)自于一個(gè)古老的哲學(xué)問(wèn)題：為什么夜晚的天空是黑的？如果宇宙是無(wú)限的，在每個(gè)方向上我們都期望看到一顆恒星，天空理應(yīng)是無(wú)限亮的。有了大爆炸理論，宇宙在時(shí)間和空間上都是有限的，這個(gè)問(wèn)題就迎刃而解了。
我們目前知道，宇宙間只有四種作用力，而只有引力可以在宇宙的尺度上起到作用，但引力和宇宙的膨脹相互拮抗，一個(gè)直接的想法是，只要宇宙的物質(zhì)密度足夠大，宇宙終將停止膨脹。這個(gè)臨界密度的計(jì)算十分簡(jiǎn)單，但我們觀測(cè)到的宇宙的物質(zhì)密度，只是這個(gè)密度的二十分之一。不過(guò)，我們觀測(cè)到的發(fā)光物質(zhì)遠(yuǎn)不足以解釋宇宙的所有引力，對(duì)星系旋轉(zhuǎn)曲線等現(xiàn)象的研究告訴我們，宇宙的動(dòng)力學(xué)質(zhì)量大于其光學(xué)質(zhì)量，有著比發(fā)光物質(zhì)重?cái)?shù)倍的不發(fā)光的物質(zhì)——暗物質(zhì)對(duì)引力起著重要的影響。但即使把它們都加進(jìn)來(lái)，宇宙的密度仍然只有臨界密度的四分之一。
專注的聽(tīng)眾
所以，宇宙必然會(huì)繼續(xù)膨脹下去。但膨脹的過(guò)程是減速還是加速的呢？乍看在引力作用下，這個(gè)過(guò)程雖然不會(huì)終結(jié)，但總歸該是慢慢減速的。然而1998年，三位超新星天文學(xué)家的宏偉觀測(cè)結(jié)果表明，宇宙的膨脹居然是加速的。驅(qū)使加速的動(dòng)力，被人們稱為暗能量。
數(shù)值模擬的結(jié)果表明，整個(gè)宇宙中的已知物質(zhì)質(zhì)量占到百分之四，暗物質(zhì)占到百分之23，而余下73%的物質(zhì)組分全都是暗能量。
如果我們的理論和觀測(cè)都是正確的，我們可以為宇宙畫(huà)出一個(gè)可怕的未來(lái)圖景。20億年后，大小麥哲倫星云將和銀河系合并，進(jìn)一步壯大銀河系的規(guī)模；如果這個(gè)過(guò)程沒(méi)有對(duì)太陽(yáng)系產(chǎn)生影響，40億年后太陽(yáng)將耗盡燃料成為紅巨星，地球要么被吞噬，要么被烤干。宇宙膨脹導(dǎo)致的紅移將使得七千億年后的銀河系引力場(chǎng)外的所有星光再也不能到達(dá)我們，孤獨(dú)地燃燒十萬(wàn)億年后，宇宙的核能開(kāi)始耗盡，星光黯淡下來(lái)，1萬(wàn)億億億年后，星系也不能維持其存在，剩下的物質(zhì)幾乎都成了黑洞和恒星殘骸，再經(jīng)過(guò)四個(gè)數(shù)量級(jí)，連最穩(wěn)定的質(zhì)子也衰變了，物質(zhì)幾乎瓦解，直到10e67年后，最后的黑洞也通過(guò)霍金輻射消亡，宇宙進(jìn)入了冷、暗、沒(méi)有生命的永恒。（我想這就是所謂細(xì)思恐極吧）
當(dāng)然，這些可怕的猜想建立在我們當(dāng)下對(duì)宇宙的了解是正確的這個(gè)假設(shè)之上，但我們對(duì)宇宙的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到可以讓我們放心地對(duì)它的未來(lái)做斷言的地步。我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)究竟是什么：它不發(fā)光，卻又參與引力作用，一些計(jì)算表明它們比電子的尺度小十萬(wàn)億倍，但根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，它的波長(zhǎng)卻橫跨整個(gè)銀河系。
如此怪異的物質(zhì)的其他性質(zhì)我們一無(wú)所知，目前人類進(jìn)行了很多盲人摸象的探測(cè)，我國(guó)去年發(fā)射的悟空衛(wèi)星就試圖做到這一點(diǎn)。在地面上，試圖用液氙做靶體的守株待兔式探測(cè)已經(jīng)進(jìn)行了很久，我國(guó)在四川山區(qū)鑿一個(gè)2400米深的山洞，就是這樣的探測(cè)器；間接地也有人試圖用大型加速器打出暗物質(zhì)，但這些方法被證明迄今一無(wú)所獲，而隨著能量上下限的接近，越來(lái)越多的人對(duì)找到暗物質(zhì)的信心逐漸喪失了。
當(dāng)觀測(cè)和理論不相符時(shí)，一個(gè)好的物理學(xué)家應(yīng)該修正的是他的理論。我們幾乎肯定廣義相對(duì)論不會(huì)是宇宙的終極理論，因?yàn)槠洳豢芍卣?，但其基礎(chǔ)，等效原理中引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的嚴(yán)格相等性是否正確？很多人提出了牛頓引力和廣義相對(duì)論的替代理論，最早的是80年代的以色列科學(xué)家Milgrom的MOND（修正牛頓引力理論），（本文的記錄者曾經(jīng)有幸在以色列的魏茲曼研究院與他有一面之緣）,以及后來(lái)的多膜理論等。但這些理論或多或少地都存在與觀測(cè)的矛盾，應(yīng)該不會(huì)是人們尋找的終極理論。
暗物質(zhì)和暗能量究竟蘊(yùn)含著什么？
就像黑體輻射的發(fā)散和馬克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)這兩朵20世紀(jì)初物理學(xué)上空的烏云蘊(yùn)含了相對(duì)論和量子力學(xué)這兩個(gè)偉大的創(chuàng)造，我們有理由相信，暗物質(zhì)和暗能量背后，是我們目前還一無(wú)所知的新物理。對(duì)它的探尋，將由在座的各位同學(xué)這一代科學(xué)家肩負(fù)——也許20年內(nèi)我們就能看到它的曙光。
公眾提問(wèn)環(huán)節(jié)之前，武院士對(duì)一些可能出現(xiàn)的普遍存在于群眾中的對(duì)宇宙學(xué)的問(wèn)題和誤解做了一番闡釋。
大爆炸之前是什么？在普朗克時(shí)間10e-43s之前，量子效應(yīng)使得時(shí)間的方向完全失去了意義，我們不能談?wù)摫冗@更早的時(shí)間；
宇宙的邊界在哪里？宇宙是有限而沒(méi)有邊界的，它是一個(gè)完整的時(shí)空流形。
大爆炸的能量來(lái)源是什么？據(jù)信來(lái)自于真空相變蘊(yùn)含的巨大能量。
銀河系中心是什么？是一個(gè)有四百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的巨大黑洞，全世界的天文學(xué)家期望最近給它拍一張高分辨率的照片來(lái)。
人類文明可能面臨的宇宙尺度的災(zāi)難，最危險(xiǎn)的是銀河系內(nèi)的gamma射線暴，這將幾乎肯定地殺死銀河系內(nèi)的所有碳基生物；假天之幸，這樣的事情沒(méi)有發(fā)生，那么在太陽(yáng)變成紅巨星之前，逐漸變亮（一億年1%）的它將在15億年終將整個(gè)地球上的水資源蒸發(fā)殆盡，甚至在此之前，地球就有可能陷入火星的危機(jī)，大氣二氧化碳化，變得無(wú)法居住。
人類的延續(xù)究竟該以哪種方式進(jìn)行，恐怕還是一個(gè)宏大的問(wèn)題。
公共問(wèn)答環(huán)節(jié)：
Q：清華工物系學(xué)生，想了解對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)的預(yù)期
A：傾向于認(rèn)為，有著比較大的質(zhì)量，但更可能根本找不到。
熱心觀眾提問(wèn)
Q：對(duì)費(fèi)米悖論（為什么找不到外星人）的看法？
A：人類在通過(guò)各種途徑被動(dòng)接收外星的信號(hào)，并主動(dòng)尋找到水和有機(jī)物分子，對(duì)此前景表示樂(lè)觀
Q：您為什么要從事天文學(xué)研究？
A：這是我的愛(ài)好，以愛(ài)好為工作的人從不會(huì)感到心理上的疲倦。
Q：假如月球不存在，地球上的生命會(huì)受到什么影響？
A：可能會(huì)對(duì)潮汐有所影響，但對(duì)生命影響不大
Q：宇宙間會(huì)不會(huì)存在大量聚集的反物質(zhì)？
A：觀測(cè)不支持，倘若是，我們期望看到正反物質(zhì)交界面不休止的湮滅過(guò)程。
Q：蟲(chóng)洞是什么？
A：廣義相對(duì)論預(yù)言的時(shí)空區(qū)域，是黑洞的出口。
Q：（來(lái)自整理者）我曾和Milgrom教授有過(guò)一面之緣，幾乎被MOND理論在星系尺度的完美預(yù)言說(shuō)服，雖然明白因?yàn)樗皇窍鄬?duì)論性的因而不可能是最終理論，但相信可能是某種高級(jí)理論的近似，你對(duì)這個(gè)看法有什么回應(yīng)？
A：我曾經(jīng)也相信過(guò)MOND理論，但在星系團(tuán)尺度上，光度中心和引力的中心并不重合，這和這個(gè)理論相矛盾。我們有理由認(rèn)為存在更好的理論。
熱心觀眾提問(wèn)
講座在熱烈友好的氛圍中落下帷幕，講座后負(fù)責(zé)場(chǎng)務(wù)的青天會(huì)骨干和武院士合影留念。
文 | 張湛伯
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