趙公博 中國國家天文臺研究員。
宇宙的關鍵時期
大家好，我是趙公博，來自中科院國家天文臺，我是一位宇宙學家。宇宙學家是干什么的？簡單來說就是研究宇宙。
再說得稍微具體一點，就是綜合利用超新星、宇宙微波背景輻射、重子聲學振蕩、紅移畸變等宇宙學探針，綜合使用理論計算、數值模擬、數據處理等技術手段，重建暗能量狀態(tài)方程演化歷史，測量中微子質量，研究宇宙原初非高斯性等宇宙學前沿問題。
這聽起來有些枯燥，可能還會有些恐怖，不過各位不用擔心，今天這些內容我統(tǒng)統(tǒng)不講。那么今天要講什么呢？我會講宇宙里面一些有意思的問題，我們管它叫作宇宙的一些關鍵時期。
什么是宇宙？實際上我們中國古人已經對這兩個字進行了深入的研究。在一本古書《淮南子·齊俗》中這樣說道，“四方上下謂之宇，往古來今謂之宙”。翻譯成現代漢語就是，“宇”代表空間，而“宙”代表時間，宇宙學是一門研究時間和空間的學問。
千百年來，我們的科學家，包括我們普通人，每個人對宇宙時空的思考從未停止過，包括我自己也一樣。我從小就想過很多問題，比如宇宙到底是怎么樣開始的。
根據我們今天的了解，宇宙開始于一次大爆炸，但是在此之前，人們都認為宇宙是靜止不變的，這可能也符合很多人的預期，因為靜止可能代表著寧靜，代表著永恒。
既然我們的宇宙有這樣一個開端，各位知道宇宙的年齡大概是多少嗎？我剛才聽見有人說對了，是138億歲。在138億年前宇宙經歷了一次劇烈的爆炸，在那個時期宇宙加速膨脹。
然后宇宙里面開始形成了一些結構，包括恒星、行星，還有星系等等，宇宙開始變得豐富起來。在這一時期，由于物質的產生，時空在物質的作用下開始進行減速膨脹。
接下來就是我們目前所處的時期，我認為這也是宇宙最重要的一個時期，宇宙又開始加速膨脹。我們只知道這個現象，但是卻不知道背后的原因。到底是什么力量在推動宇宙加速膨脹呢？科學家們給它取了一個名字，叫作暗能量，之后我們會具體談到這個問題。
下面這張圖是結合我們今天所有的觀測，對宇宙歷史做的一個更加詳細的描述，可以看到在宇宙里面有更多有趣的事情在發(fā)生。
今天我們就從宇宙的爆炸開始，討論宇宙里面的幾個關鍵的時刻。首先是宇宙的開端，大爆炸。根據我們現有的理論，在138億年前，非常可能發(fā)生了一次爆炸。不過這并不是百分之一百肯定，還有其他的理論存在。
這次爆炸并不像我們想象中的原子彈爆炸，不是簡單的一個物質發(fā)生爆炸然后產生了很多其他東西。這一次爆炸產生的不是普通物質，而是時間與空間，也就是說在此爆炸之前時間和空間是沒有的，是不存在的。
這次爆炸非常劇烈，在爆炸的時候，時空是加速進行膨脹。如果你不能感受這個爆炸的劇烈，我們用數字來說明一下。時空在非常短的時間內，在10的負36次方秒之內膨脹了10的26次方倍，你們可以想象這是多么劇烈的一個過程。
同時，溫度也隨著時空的膨脹急劇地下降，從10的32次方度下降到了大概1千萬度。由于宇宙早期的溫度太高了，一些豐富的結構還沒有辦法形成，所以在早期的宇宙里只有一些非?；镜牧Ｗ?，比如光子、電子。
這就像是生物演化的過程，剛開始只有一些非常簡單的生物結構，比如說三葉蟲之類的，后來就演化出來非常豐富的結構。
光子可以說是我們這個宇宙里面最古老的一種粒子，從宇宙爆炸就有光子的存在。光子到底是什么呢？實際上光既是波又是粒子。
其實我們每天都在跟光子打交道，但是我們通?？礀|西只是利用光波的非常小的一部分頻率，叫作可見光，可以看到不同的顏色。
我們在其他的日常生活中還會頻繁地接收光子。比如說我們用微波爐加熱食物的時候用的也是光子，只不過那個光子的波長不在可見光范圍內，我們是看不到它的，但是卻能夠感受到它，它有溫度，還有能量。
到醫(yī)院里面去拍X光片，用到的也是光子，只不過用到的是波長更短的光子。因為它不在可見光的波段，所以我們仍然是看不到的。
在非常早期的宇宙，光子和電子緊密地結合在一起。用通俗的話說，早期的宇宙就是一鍋粥，并且溫度非常高。被電子束縛的光子是無法傳播到今天被我們看到的。
如果光子在宇宙早期不能自由傳播到今天，我們是沒有辦法了解早期宇宙發(fā)生了什么事情的。大概在大爆炸后的38萬年，宇宙的溫度已經降得足夠低了，那時候光子第一次變得自由。這是一個非常重要的時刻，因為在那之后我們第一次接收到光子了。
這就是說，我們能夠了解宇宙的最早的時刻是大爆炸后的38萬年，我們把它叫作宇宙微波背景輻射時期。之所以叫微波背景，是因為那個時候光子的波長跟微波爐的波長是一樣的。
下圖是今天用衛(wèi)星拍攝到的所謂的宇宙微波背景輻射的信號。我們能看到的這些顏色的點，實際上代表著溫度。不同的溫度分布可以告訴我們早期宇宙到底發(fā)生了什么。
▲ 宇宙微波背景輻射的信號
光子變得自由了之后，就從宇宙的早期慢慢地飛到了今天，被我們探測到。因此我們今天所看到的這個信號包含兩部分重要的信息，一個是早期宇宙發(fā)生了什么，一個是宇宙演化這138億年來到底發(fā)生了什么。
關于宇宙微波背景輻射的發(fā)現，其實在科學上是一次意外，并不是科學家專門要去尋找這個信號。上世紀60年代，美國貝爾實驗室的兩位工程師，彭齊亞斯和威爾遜，這兩個人的工作是利用射電望遠鏡來搜尋太空當中的一些像衛(wèi)星通訊的信號。
但是令他們感到很意外的是，他們看到了這樣的一個信號：不管把天線對準天空的哪個方向，都會看到一個雪花屏的噪聲。剛開始，他們認為這可能是儀器發(fā)生了故障，排除各種故障之后，他們發(fā)現這個信號仍然存在。于是他們大膽假設，這個信號會不會來自于宇宙。
他們請教了當時的一些宇宙學家。那些宇宙學家告訴他們，如果宇宙曾經發(fā)生過一次大爆炸，那么根據科學計算，這非常有可能會令他們看到這個噪聲。于是彭齊亞斯和威爾遜就陰差陽錯地發(fā)現了這個宇宙學里面非常重要的信號，并且在1978年獲得了諾貝爾物理獎。
▲ 彭齊亞斯和威爾遜，以及他們發(fā)現宇宙微波背景輻射的射電望遠鏡
當光子變得自由了以后，電子也就變得自由，在宇宙里面就開始產生各種各樣更復雜的一些結構。你可能會想象接下來的宇宙里該發(fā)生什么了，很可能會想到恒星開始產生了，星系開始形成了。是這樣嗎？其實不是。這中間還缺少一個非常重要的階段，這個階段叫作宇宙的黑暗時代。
黑暗時代從大爆炸后38萬年，一直延續(xù)到大爆炸結束后大概4億年左右。為什么叫黑暗時代？因為在這個時期，宇宙里面還沒有形成可以發(fā)光的東西，就是說恒星、行星等等都沒有形成。聽上去，黑暗時代并不是多么地令人激動，但是它是非常重要的一個時期，因為它孕育了宇宙結構。
那時在宇宙里面只有一些由質子和中子形成的中性氫，但是卻也不能發(fā)光，也有一些原始的光子。這個時期就好像一個孩子從少年時期慢慢地成長到青年時期，他可能突然從一個天真無邪的孩子，慢慢變得憂郁，心事多了，變得安靜起來。但這正是為下一步的生機勃發(fā)做好了準備。
黑暗之后自然就是黎明，宇宙迎來了下一個時期，我們稱之為宇宙的黎明時期。宇宙里面終于開始有了發(fā)光的東西，第一代恒星開始形成。
這是一個示意圖，隨著宇宙溫度的下降，宇宙當中復雜的結構開始形成，重的元素也慢慢地合成。宇宙里面出現了氣體、塵埃，它們在重力的作用下慢慢聚集，形成了一些非常豐富的結構。當有了恒星之后，恒星就會慢慢聚集，進一步形成星系。
但這并不是很容易的事情。你可以想象在宇宙里面時刻發(fā)生的劇烈的動力學過程，當一個小結構剛剛形成的時候，它很可能會被其他的結構所破壞，無法生長。要解釋這個現象，要涉及天文學里面另外一個非常重要的課題，它跟上世紀80年代的一項發(fā)現有關。
這個圖中間旋轉的實際上是一個星系，橫坐標是圓半徑，就是離這個星系中心的距離，縱坐標畫的是星系旋轉的速度。我們根據牛頓引力可以想象，當離中心的圓盤非常遠的時候，旋轉速度應該是非常低的，因為那個時候的密度非常低，質量非常小，引力也非常弱。
也就是我們通過理論計算應該得到的是白色的曲線，當離得非常遠了的時候沒有速度。可實際看到的是綠色曲線，速度并沒有降低，反而保持不變。
于是科學家們有了一個大膽的猜測，在宇宙里面除了看得見的亮物質以外，是不是還存在著某些看不見的東西？既然能看見的是亮物質，科學家們給這種看不見的物質取名為暗物質。
暗物質的假設可以完美解釋天文學家的觀測。從另外一個方面，也可以解釋我們上面提到的宇宙結構的形成。暗物質就像是一個容器，亮物質可以掉到這個容器里，在這個容器的保護之下慢慢地生長發(fā)育。通常，我們把暗物質稱作宇宙結構的生命搖籃。
這就好像是一棵小樹，剛開始生長的時候，如果每天風吹雨打，它是很難長大的，如果把它綁上一根竹竿，這棵小樹在竹竿的保護之下就可以健康地生長，暗物質實際上就起到了這樣一個作用。正是在這種機制的作用之下，今天的宇宙出現了非常豐富的結構。
這張圖是我們的家園，銀河系。銀行系實際上非常大，它的直徑有10萬光年，一光年大概是9萬億公里，這么長的一個距離，可以想象銀河系的巨大。這些照片都是用哈勃太空望遠鏡實拍的照片。
▲ 銀河系
這幅照片是大麥哲倫云，這是一個非常漂亮的結構，是我們銀河系的一個衛(wèi)星星系。它的大小大概是銀河系的1/5左右，距地球大概16萬光年。
▲ 大麥哲倫云
這個漂亮的星系叫作仙女座星系，位于仙女星座。它距離地球就非常遠了，大概是250萬光年，它的大小和我們的銀河系差不多。
▲ 仙女座星系
這是風車星系，長得像風車一樣，有一個漩渦。它位于大熊星座，距我們就更遠了，有2100萬光年。但是我們今天的天文學技術已經能夠拍到這樣高清的圖片，并且能夠對它進行深入的研究。
黎明時期的宇宙充滿了這樣豐富多彩的結構，包括了我們從科普書里，還有電影小說里面經?？梢钥吹降?span>黑洞，甚至是蟲洞這樣的結構都已經形成了。
接下來的宇宙會發(fā)生什么呢？最開始我提過，在宇宙大爆炸的初期，宇宙經歷了劇烈的膨脹，加速膨脹。之后由于物質的產生，宇宙經歷了漫長的減速膨脹。黎明時期之后，宇宙又開始加速膨脹了，那么到底發(fā)生了什么？
談到宇宙膨脹我們先介紹幾位科學家。牛頓可能各位都非常熟悉了，他是偉大的科學家，也是數學家、哲學家、神學家、天文學家。牛頓這樣一位男神，他發(fā)現了萬有引力定律，發(fā)現任何兩個星體之間都相互地吸引。但是他只是發(fā)現了這樣一個現象，并沒有說明為什么。
在牛頓看來，時間和空間就像一個舞臺，星體就像是演員站在這個舞臺上，舞臺跟演員間沒有任何關系。牛頓的絕對時空觀就是這樣一回事，時間、空間和運動沒有任何關系。他成功解釋了太陽系內星體的運動，但是卻無法很好解釋在更大尺度上的宇宙里到底發(fā)生了什么。
愛因斯坦各位都非常熟悉了，他可以說是從根本上改變了牛頓對時空的認識。這是愛因斯坦眼里看到的宇宙，這兩個小球，代表兩個星體，網格代表的是時間和空間。愛因斯坦認為這些物質的存在使得時空發(fā)生扭曲，由于時空的扭曲，這兩個物體發(fā)生了相互作用。這是愛因斯坦認為的引力的根源，他認為引力的產生就是由于時空發(fā)生了扭曲。
這是著名的愛因斯坦方程，被印到國外的一列火車上。這個方程背后有非常艱深的數學，今天我們就不再去展開了。
但是我們可以看到這個方程背后的精髓，實際上就是這樣一個等式，這是愛因斯坦天才的發(fā)現：
時空曲率=物質分布
方程左邊叫作時空曲率。這是什么意思呢？就是剛才我給各位看的那個網格，時空的變形在方程的左邊，代表的是一個幾何量，而方程右邊代表物質的分布，它是一個物理量。
在愛因斯坦之前，從來沒有人想過時空空間的曲率幾何跟物理之間有什么關系，這是愛因斯坦首次天才地把它們聯(lián)系在一起。愛因斯坦得到這個方程之后非常興奮，他馬上利用這個方程去研究宇宙的演化。
運用這個方程，他發(fā)現宇宙有兩種可能的演化形式：一種宇宙將永遠膨脹下去，最后將四分五裂，什么都不存在；另外一種宇宙將坍縮，最后坍縮到一個點。
愛因斯坦非常地不安，他覺得這肯定是錯的，他根深蒂固地認為我們的時空一定是靜態(tài)的，宇宙肯定是永恒的，不可能是膨脹或者收縮的。于是他想，我能不能通過修改我的方程使宇宙變得永恒，變得靜止呢？
他首先排除了宇宙膨脹。他覺得如果宇宙真的是膨脹的，就沒有辦法讓它停止下來。現在去看，他首先就把正確的解排除掉了。
然后就剩下了第二個解——宇宙坍縮。他想宇宙坍縮是為了什么呢？很可能是因為萬有引力的存在，使得物質之間互相吸引，影響了時空的結構，那能不能加入一個萬有斥力來抵消萬有引力呢？
我們不得不佩服愛因斯坦，確實聰明，他在這個方程右邊加入了一項所謂的萬有斥力，通常我們叫作宇宙學常數。方程就變成了：
時空曲率=物質分布 宇宙學常數
宇宙學常數就是所謂的真空的能量。真空并不是什么都沒有，真空是有它的能量的。愛因斯坦用他的宇宙學常數，成功地把一個宇宙變得靜態(tài)。他非常興奮，一百年前，在1917年，他發(fā)表了一篇論文，宣稱終于找到了制約宇宙時空演化的規(guī)律了。
但是好景不長，1929年英國的科學家哈勃粉碎了愛因斯坦的夢想。他通過天文觀測發(fā)現，所有的星體都在遠離我們，都在后退，并且離我們越遠的星體退得就越快。整個宇宙就是一個膨脹的圖像，并不是靜止的。
1929年的時候，愛因斯坦還健在，他看到這個新聞的時候非常懊悔，自己一開始就把正確的解給排除了，然后還畫蛇添足地在方程里面加入了一項所謂的宇宙學常數。愛因斯坦在后來的回憶錄當中說，加入這個宇宙學常數是我一生當中犯的最大的錯誤，沒有之一。
愛因斯坦于1955年去世了，但是這個故事并沒有結束。1998年，科學家們發(fā)現宇宙不僅膨脹，而且還是加速膨脹。
▲ 發(fā)現宇宙加速膨脹的三位科學家
各位可以想像，如果愛因斯坦還健在的話，他應該是一個什么樣的心情。當年他引入宇宙學常數，是因為他知道宇宙本來應該坍縮，加入了一個斥力，宇宙就就能維持靜止了?？墒撬麤]有想到，宇宙本來不是坍縮的，宇宙本來就是要膨脹的。
大家想一想，宇宙本來就膨脹，加入一項斥力之后會怎么樣，是不是就更膨脹了，就是加速膨脹。也就是說，愛因斯坦用完全錯誤的思路，竟然得出了正確的結論，完全是陰差陽錯。
這三位科學家是怎樣了解宇宙加速膨脹的呢？是通過一種特殊的星體，叫作超新星。超新星被稱作宇宙的標準燭光，因為它的亮度和距我們的距離是一個非常清楚的關系，同時我們可以測量這類星體的退行速度，有了距離和速度，我們就知道了宇宙到底是怎樣膨脹的。
▲ 超新星爆發(fā)
這個發(fā)現在1998年就被評為十大科學進展之首，并在2011年獲得了諾貝爾物理獎。宇宙為什么加速膨脹？背后的物理原因我們今天還是不能確定的。
廣義來講，宇宙的加速膨脹是由暗能量引起的。今天宇宙的組成成分比例是下面這個圖，各位可以看到，最重要的就是稱為暗能量的成分，占有宇宙的70%。我們雖然不知道暗能量的本質是什么，但是我們今天已經了解了它的某些性質。
暗物質大概占有1/4，直到今天，我們仍然沒有找到暗物質存在的直接證據，有一些間接的證據，但是還沒有找到暗物質的粒子，是什么我們也并不清楚。但是我們之前也說了，如果宇宙里面沒有暗物質，星系是很難形成的。
剩下的5%是我們的普通物質，就是地球、太陽、你、我、我們的物質世界，總共只占有5%。諾貝爾物理獎到今年已經頒發(fā)了100多次了，它基本上都是授予了在這5%里面做出貢獻的科學家。
大家可以想象一下，5%已經獲得100多個諾貝爾獎，剩下95%還有多少諾貝爾獎等著各位去拿，這里面有巨大的發(fā)現空間，還有很多我們不清楚的東西。暗物質、暗能量不光是天文學，也是當今科學最重大的課題之一。
我就是從事暗物質、暗能量這方面的研究。主要利用觀測數據來對假設進行檢驗，并且我們也希望利用觀測數據帶領我們找到背后的正確理論。
我們是怎么研究暗物質的呢？
我先說一個各位都聽說過的現象，叫作海市蜃樓。在海平面之下的一艘船，本來你是看不到它的，但是由于天氣的變化，空氣的折射率發(fā)生了改變，原本直線傳播的光發(fā)生了偏折，船就跑到天上去了。
這看起來非常神奇的現象，在宇宙學里面我們也有類似的現象，叫作宇宙海市蜃樓，或者叫作引力透鏡現象。各位看到這地方本來有一個星體，它被前面一個很大的結構，被一個星系或者暗物質結構給擋住了。
你本來是看不到這個星體的，但是這個結構引起了光線的偏折，光線沿著黃色的曲線傳播到地球。地球的儀器，包括人眼是不會轉彎的，我們只能沿著直線反推回去，就以為這個黃色的星體在上方這個位置，或者下方那個位置，也就是說一個圓可能會成很多個像。
今天我們用望遠鏡就可以拍攝到這樣的圖像。下圖這樣的兩個像，很可能是來自同一個圓，并且你可以看到它周圍有一圈光暈，像一個弧線一樣，這就是宇宙海市蜃樓現象所導致的。
我們可以用大量數據分析，或者是用機器學習的方式來看很多這樣的圖片，去反推中間的物質分布。它不發(fā)光也沒關系，它是暗物質也沒關系，可以反推它的存在。我們就是利用這樣的方式來了解暗物質的，并且發(fā)現了今天的暗物質大概占有1/4左右。
我們是怎么研究暗能量的呢？
暗能量的研究方法其實非常類似于人口普查，只不過我們是對星系進行人口普查。實際上地球所在的位置就是這個圖的中心點，我們觀測大量的星系，去測量星系的光譜等等科學的屬性，然后對星系的三維分布進行研究。
我們發(fā)現如果暗能量存在，并且暗能量有不同屬性的話，它會改變星系的三維分布。反過來，如果測量星系的三維分布，就能夠去了解暗能量到底是什么。
當然，要測量星系的三維分布不容易，我們在實驗室里面測長度可以用尺子，但在太空里面要用什么當尺子呢？這是我們用的一個非常重要的物理學的參量，叫作重子聲波振蕩。
這個地方我沒有辦法去展開講，只能告訴各位這是一個非常重要的量天尺。它是一個特征尺度，我們用它當作一把尺子去丈量宇宙的幾何，然后反過來去推算暗能量的屬性。
我從2009年參與了一個非常大的國際合作項目，叫作BOSS項目，去做重子聲波振蕩巡天實驗。這個項目由來自世界30多個國家——包括哈佛大學、斯坦福大學這些大的研究機構在內的100多位科學家組成一個合作組。
我們在2017年利用BOSS的最新觀測，拍了100萬條星系的光譜，進行數據分析之后得到了暗能量屬性的一個結果。這個橫坐標實際上就是時間，縱坐標是對暗能量來說非常重要的一個物理量，我們管它叫作狀態(tài)方程。其實它就是暗能量的壓強與它的密度的一個比值，這個量非常重要，可以說它包含了暗能量的密碼。
在這個地方我們畫了一條線，是-1這條虛線。愛因斯坦提出的宇宙學常數可以解釋宇宙加速膨脹，他預言的這個W是等于-1。但是我們今天利用數據重建這個函數，發(fā)現今天的觀測是這條藍色的曲線，也就是說這個W是隨著時間變化并且沿著-1振蕩的。
這個東西很重要，因為它說明了暗能量的某些重要性質很可能不是我們的預期，暗能量可能具有某些動力學的屬性，這跟未來宇宙的命運也緊密聯(lián)系在一起。
如果愛因斯坦說的是對的，也就是說這個暗能量是真空能的話，宇宙有一天就真的會分崩離析，我們的時空將會被撕裂，每一個結構，包括我們自己，還有原子、分子都將被撕裂，都將會蕩然無存。
如果暗能量是像我們這種形式演化的話，我們的宇宙很可能是一個循環(huán)的過程，宇宙將會膨脹，到一定程度會收縮，然后再膨脹，循環(huán)往復。這可能更容易被大家接受。
我們也對未來的數據做了一個模擬。5年之后，當我們會有更大的望遠鏡，獲取更好的數據之后，我們會得到中間那條深藍色的曲線，到那時候很可能我們就能夠在更高的質性水平上，或者更高的精度上去了解暗能量。
這幾幅圖是我們現在用的大型的光學望遠鏡。
左上的SDSS是我們正在使用的2.5米口徑的巡天，明年它將要運行暗能量光譜巡天。右上DESI是美國的一家望遠鏡，口徑為4米，它將在更高的精度看到宇宙的更深處，給我們帶來新的信息。
未來的5到10年，10米級的望遠鏡，還有30米口徑的望遠鏡即將運行。我們也相信隨著這些大型的儀器的運行，我們會越來越多地了解宇宙，揭開暗能量、暗物質的宇宙之謎。
在今天這個充滿愛的日子里，非常幸運我能跟大家一起來討論宇宙學。最后想用卡爾·薩根的一句話結束我們今天關于宇宙的討論：
在廣袤的空間和無限的時間當中，能和你共享同一顆行星、同一段時光，是我的榮幸。
謝謝各位。
（本期編輯：小文）
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