苏萌：探索宇宙的起源 读解全新的宇宙

高能天体物理学最高奖Rossi Prize最年轻获得者，银河系巨型气泡结构发现人苏萌

　　CC讲坛第23期于2018年2月9日在深圳隐秀山居酒店举行。高能天体物理学最高奖Rossi Prize最年轻获得者，银河系巨型气泡结构发现人苏萌出席并以《探索宇宙的起源，读解全新的宇宙》为题进行演讲。他通过宇宙起源与演化，高能天体物理学，黑洞与引力波，暗物质与暗能量等的研究，带领听众们全新的认识了宇宙。

　　以下为演讲摘编：

　　大家有没有过这样的体验，走出城市到一个远离城市灯光污染的地方抬头仰望星空。

　　其实，仰望星空对每一个人来说都是一件不简单的事情。几千年以来，人类仰望星空感受到的是一种震撼是一种神秘。其实我们今天生活在一个非常不简单的时代，因为从古希腊开始人们去赞美星空、去思考星空。今天由于科学技术的发展，我们真真正正能以科学的手段去回答一些最基本的问题了。比如说看到星空，大家会问什么样的问题呢？很多人会问我：“宇宙是由什么组成的？我们从哪里来？到哪里去？到底是什么样的规律在统治着宇宙中千千万万的事物和物体？”如果50年前我告诉大家，人类已经了解宇宙的来龙去脉，可以很自信地告诉大家宇宙是从哪里来到哪里去的，那大家会认为我是个伪科学家。但是，在过去二三十年技术发展的情况下，我们真真正正地去回答了一些最基本的问题。同时，另一方面在回答问题的过程中，我们又发现了另一些未知的东西打开了对宇宙全新的认识。第一个问题：我想问问大家， 从古希腊、古罗马时期， 人们在观察星空的时候会很自然地想像我们站在地球上， 周围的东西好像都是围绕着我们转，太阳东升西落，月亮、行星都像是在围绕着我们地球在运动，所以很自然认为地心说的说法（宇宙和世界是围绕着我们人类存在的）。这地心说统治了人类很长时间，一直到文艺复兴时期哥白尼开始意识到有一些更仔细的观测数据，是没有办法用地球在世界中心的说法去解释。所以，他提出了日心说，第一次改变人类作为宇宙中心这样一个观念和意识。

　　在1609年伽利略发明了望远镜，望远镜彻底打开了人类认识宇宙的一个方式。我们除了用肉眼去观察星空，我们可以看到更远的、更细节的、更丰富的一些宇宙结构和现象。今天，不仅是在光学可见的波段，我们从射电波段（最长的波段叫射电波段）、微波、光学、红外、紫外、X线、伽马线、整个的电磁波段，人类的技术发展都已经实现了用不同种类的望远镜，巨大的射电天线，空间中发射的几十颗天文学卫星，都试图去回答越来越多的宇宙最基本的问题。在回答这些问题的过程中，我们发现了很多非常有趣的现象。首先，宇宙有多大？我们今天不知道宇宙有多大，因为我们能够看到的只是所谓的可观测的宇宙。宇宙从诞生到今天经过了137.9亿年的时间。光速是有限的，光能够跑的距离我们把它叫做可观测宇宙，今天我们能够原则上介绍的信号就是这么多。那这个宇宙的直径有多大呢，大概是1000亿光年（也就光要跑1000亿年）。在这个范围内，我们发现了太阳系在银河系里面，银河系大概由几千亿颗恒星组成的。在这个可观测宇宙里面有几千亿个星系组成的。什么概念呢？如果说天上每一个星，就是地球上的一粒砂子的话，地球上所有的沙子的总量都没有宇宙中星星的数量多。所以，大家可以想象这是一个多么庞大和震撼的一个客体— 宇宙！

　　那再往下，我们具体来看物质在宇宙中是怎么分布的。这张图展示的是：今天用现代的超级计算模拟宇宙演化的过程，发现宇宙的物质分布不是均匀的，是有这种絮状的集团性的结构（主要是由暗物质组成），这些丝丝缕缕的联系的中心， 由于引力的作用会有宇宙物质的聚集，在这些物质的聚集的范围内会有产生这种形成所谓的星系团的结构。也就是今天我们宇宙中所能形成最大独立的一个结构，在引力的作用下叫做星系团。成千上万颗星系组成了这么一个集团，我们银河系所在的星系团叫做室女座星系团。大概是长这么一个样子。再往下分，我们银河系又在本星系群里面，也就银河系和旁边的一个叫做仙女座星系，这两个主要的大星系周围还有几十个小的星系，我们叫矮星系组成的，我们在本星系群里面。虽然我们在银河系里面，仰望星空时我会看到所谓的银河，看到投影出一个带状的结构，我们认为银河系是一个悬臂的、盘状的星系，太阳系离银河系中心大概有20万光年。这样的圆，我们并不是在银河系中心，所以太阳只是一个非常普通的星系里面的一个非常普通的恒星。我们地球是在非常普通，恒星旁边一个非常普通的行星。天文学发展以来，我们对银河系最基本的认识就是这样的。

　　很有意思是我们做了一个研究，通过美国NASA的费米伽马射线望远镜进行一个伽马射线波段的银河系观测，发现银河系除了我们肉眼看到的一个带状的、盘状的结构之外，有一对非常巨大的对称气泡状态的结构，是从来没有被人看到过。只有在伽马射线波段展现出来。为什么我们能看到？当然是由于技术的进步我们在新的波段打开新的窗口，发现了以前从来没有想象过的一个结构，叫做所谓的费米气泡。它意味着我在我们银河系的中心有一个巨大的黑洞，这个黑洞的质量比我们太阳质量的400万倍还要再重。不仅如此，这个黑洞在几百万年前很有可能发生过剧烈的一个过程，吞噬了周围相当大质量的一团物质，然后产生了一个剧烈的喷射的雾团，这个雾团由很高能的电子组成的，被我们今天的望远镜观察到了。所以，即便我们今天生活的星系里面，银河系依然有很多很多的现象是我们不知道的。只有通过不断地去探索和用更先进的技术去观察， 用数据、用事实的方式才能告诉我们。我们深知生活在一个什么样的地方 ，我们在一个怎样的环境，太阳是一个很普通的恒星，在太阳周围大概几十颗恒星，是在50光年范围之内的。离我们最近的恒星叫比邻星，20年前天文学家，依然会认为我们地球是很不容易的。一颗星星有这样的环境去生长高能智慧生命，但其实即便离我们太阳最近的比邻星在去年也发现了很有可能存在着适合人类居住的行星带，而且有行星的确落在这个行星带。所以很有可能有生命，至少生命宜居的环境是在宇宙中大量存在的。这意味着只有科学不断地去探索，才能回答这些最基本的问题。

　　回到我们太阳系，我们太阳系从哪里来？组成在座的各位人体的这些物质和一些重的金属，从哪里来？天文学已经可以回答这些问题，我们今天坐在这里，是因为在宇宙漫长的一百多亿年的演化当中，银河系的这个环境下反复地有大质量的恒星，去形成、去爆炸、去死亡。再把物质喷射出来，在恒星的中心反复地进行核聚变的过程演化出来重金属，在爆炸的过程中把重金属进一步演化成更高 超过铁的元素，都是在非常剧烈的天体物理活动当中形成了我们今天在座身体上所有的这些重要的元素。我们不仅是一个高等智慧生命再研究一个客观的宇宙，而是我们本身就是宇宙演化的产物，我们本身就是宇宙在我们身上的一个体现。在这样的环境下形成一种高智慧的生命去思考理解宇宙，是非常非常不简单的一件事情。

　　在40年前，美国发射过一颗卫星叫做旅行者一号。旅行者一号是迄今为止人类发射的唯一一个正式飞出太阳系的卫星，它飞了整整40年。在1990年的情人节2月14号，这颗卫星调转方向对准地球的方向，拍摄了这样的一张照片，这个照片是著名的行星科学家、科普学家卡尔萨根先生建议拍摄的。在右面这张图里面，大家会发现我用蓝色的这个小圈圈出来的那就是地球。在飞行到太阳系边缘，人类制造的卫星反过来去拍摄地球的时候，我们所有听说过的，发生在地球上的 ，其实就在这个暗淡的蓝点上。天文学的研究是意识到人类的卑微，又意识到人类的伟大。我们卑微在我们太普通了，但是我们又如此的不平凡，因为我们有这样的意愿和能力去了解、探索的这种好奇心。宇宙是一个什么样的状态？这是一件非常不简单的事情，宇宙中有这样的结构，归根结底，是引力造成了宇宙今天丰富多彩的世界。

　　什么是引力，这是一个很不简单的问题，今天我们都没有真正回答这个问题。牛顿在康熙26年，提出了万有引力定律（就是物体与物体之间有引力，它跟物体的质量是成正比的，距离平方成反比），这个最基本的经典引力理论统治了世界大概200多年，一直到一个人的出现就是爱因斯坦，爱因斯坦说，“其实物质与物质之间并没有引力，没有力的概念存在，引力其实就是本质上讲是时空的几何发生了变化，也就是月球绕着地球转，并不是月球感受到了地球的存在，而是地球的存在使得时空作为一个几何它发生了扭曲，发生了形变。月亮只是按照它当时所在的位置，感受到了这个几何时空的变化在运动，它其实并不知道地球的存在，所以引力本身是时空的几何。它是更本质的对引力概念进行一个解释，至少今天，我们认为广义论相对论是正确的。那么，广义论相对论有一个很重要的预言，如果时空发生了剧烈的变化就像是平静的水面扔一个石子发生的震荡的时候，水波会以波的形式传播开来，时空是也是一样的。比如说，两个黑洞很剧烈地发生并合的过程中，就会产生引力波。但是爱因斯坦当时计算，是很难用当时的技术探测到的。他认为人类是没有能力去探测到的，那么就在两年前，美国的叫做LIGO的实验，用激光干涉引力波观测平台，首次在爱因斯坦提出广义论相对论之后整整100年发现了遥远的几十个太阳质量的黑洞并合后产生的引力波。这是一个非常非常不简单的事情。这个引力波穿过地球的时候，整个地球的直径只改变了质子的十倍，也就十个质子这么大，或者换句话说，从太阳系一直到比邻星（我们最近的恒星）4.2个光年， 光要有四年多的时间， 这个距离只是改变了人的头发丝的直径这么大。爱因斯坦认为我们不可能看到，我们依然在100年之后看到了。可以给大家听一下，两个黑洞并合之后产生的引力波是什么样的声音。这就是第一次人类聆听到了宇宙中两个黑洞并合产生的引力波。后来发现 “引力波” 作为一个热词被各种各样的人频繁地使用。当时人民日报采访我的时候说， 到底能不能解释一下什么是引力波，我就建议他画这样一个漫画。爱因斯坦就像一个指挥家一样站在这个舞台上，不同的引力波从黑洞里面诞生，从其他的天体物理环境下诞生，它充斥着宇宙中的一个交响乐。400年前的伽利略第一次亲手制作的望远镜指向夜空的时候，我们是看到了宇宙的规模，今天我们通过聆听引力波，聆听到了宇宙的第一个音符 ，宇宙诞生的最开始，整个时空撞上的一瞬间，肯定是整个非常剧烈的一次震荡， 这种震荡意味着它一定会以一种引力波的方式存在在我们这个时空中，它太久远了，所以信号非常非常的微弱，我把它叫做洪荒引力波。

　　洪荒引力波为什么会重要，因为它跟宇宙的起源有关。我们有时候叫做平行宇宙，有没有其他的世界存在。所有这些问题要回答一定要追踪到最开始产生宇宙的时候是什么样的物理过程，我们观测洪荒引力波是一个非常重要的基本手段，在2014年，我们当时感觉到应该已经可以看到引力波了，但事实上由于这个观测条件的有限，只在一个地方观测引力波是很难得到确切的答案。当时我就已经想到了利用我们国家西藏地区高海拔的环境，建立自己的引力波观测平台，在阿里地区正式建设了这样的一个天文台，叫阿里天文台！是世界上海拔最高的天文台。迄今为止，我把它叫做在世界的屋脊聆听宇宙的初啼。

　　还有一个问题刚才没有回答，就是暗物质是什么？也就是宇宙是由什么组成的，今天我们可以确切地拍着胸脯告诉大家，宇宙由这三种物质组成，一种叫做暗能量，不知道它是什么，因为叫做暗的能量。我们试图去了解发现，越了解越不清楚，这就是科学研究的过程。今天没有办法去了解它。第二大组成叫暗物质，它实际上是物质，我们至少知道它是物质，它是不是粒子，是什么样的属性，我们并不知道，但是我们试图去回答这个问题，这是我们中国发射的第一颗天文卫星叫做暗物质粒子探测卫星。两年前成功发射，成功发射以后把它命名叫“ 悟空 ”。这是我们当时在怀柔的测控中心拍摄的照片，每个人都发一样的衣服带一个非常非常小的帽子，我看起来很滑稽。一个半月前，我们发布了悟空卫星上的首批科学成果，这个科学成果，当然也是入选了全球十大航天新闻 ，我们当然非常希望未来挖掘悟空里面珍贵的数据，去试图帮助人们回答一些我们不知道的问题。

　　我们为什么要探索宇宙，很多人问我这个问题，说你看悟空发射了，有这样的发现，到底有什么用，探测暗物质到底有什么用？这是一个非常好的问题，当然不同的人不同科学家，会用不同的方式去回答。其实我觉得，人类为什么要探索宇宙，地球上总是会有些坐不住的人，他会去试图回答这些问题，试图去回答那些几千年以来人们一直在试图回答的问题，而今天我们真的有一些能力有一些技术手段去对这些问题做出一些理性的回答，我觉得探索本身是来自于人类本质的一种好奇心，这种好奇心是不可改变的，是一种人类文明自然推动，就没有人能够阻碍。即便你不探索，我不探索，总会有人去探索，我觉得宇宙的规则虽然是不可改变的。宇宙太大人类太小了，我们不管怎么探索，宇宙永远在那里，但是我觉得很神奇的一件事情是，我们人类就用一公斤重的大脑就可以装下整个宇宙，真的是去理性地回答这些问题而且反复地验证。我们的这些思考真的是对的，在宇宙中用真相用数据发现我们的这些思考是有道理的。这个事情本身真的是非常非常的不简单，今天我们在一个大航天时代，大家通过火箭把很多探测的卫星发射到太空中，我觉得不管怎样，人类这种探索的脚步有可能是一个孤独的旅程，因为你很难知道是否有其他的生命在宇宙中做同样的事情。即便他在做同样的事情，是不是有可能跟你发生这种信息的交换，告诉你指引着你应该何去何从， 既然我们作为一个智慧生命存在我们不知道我们何去何从，但是我觉得文明要有这样的担当，我们既然存在，既然能思考，我们就要回答一个最基本的问题，这样的文明才有希望。爱因斯坦说：“宇宙中最不可思议的事情，就是宇宙竟然是可以被理解的，宇宙中这是永远充满了惊喜，不是说宇宙就可以理解了，我就理解了，而这是在你理解的过程中，你会发现，你越知道的多越不知道得多，所有的这个未知探索，都是让你感受到这种文明的力量，感受到我们今天站在这里回答这些最基本的问题是一件多么自豪的事情，因为这个是宇宙！

　　宇宙应该远远超过你的想象力，我相信未来人类的发展会给大家带来更多意想不到的事情， 谢谢大家！

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