科普時(shí)報(bào)記者 張英賢

院士科普講堂

仰望蒼穹，人類一直都在追問(wèn)：宇宙是什么？從哪里來(lái)？到哪里去？誰(shuí)在決定它的命運(yùn)？面對(duì)宇宙，我們有很多靈魂之問(wèn)。

近日，由中國(guó)科協(xié)、教育部共同主辦的2023年青少年高校科學(xué)營(yíng)全國(guó)開營(yíng)式暨“全國(guó)中學(xué)生同上一堂暑期科學(xué)課”舉辦。中國(guó)科學(xué)院院士、“科學(xué)與中國(guó)”院士專家、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)武向平以“認(rèn)識(shí)我們的宇宙”為主題，帶領(lǐng)中學(xué)生們仰望蒼穹，穿越宇宙時(shí)空的長(zhǎng)河，感受浩瀚宇宙的魅力。

宇宙從哪里來(lái)？

先人曾經(jīng)對(duì)“宇宙從哪里來(lái)”這個(gè)問(wèn)題作出多種想象，直到哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的證據(jù)。1929年，哈勃在測(cè)量銀河系附近的其他星系時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些星系看起來(lái)都在遠(yuǎn)離我們而去，從而得出“宇宙是在膨脹的”這一結(jié)論。

在暑期科學(xué)課上，武向平對(duì)中學(xué)生們說(shuō)：“如果宇宙自誕生起就在不停地膨脹，那么隨著時(shí)間不斷倒退，總有一刻宇宙中的物質(zhì)會(huì)聚集在一起。”

美國(guó)核物理學(xué)家、宇宙學(xué)家喬治·伽莫夫認(rèn)為，宇宙最初是一個(gè)高溫的核火球，進(jìn)行著激烈的核反應(yīng)，在高溫高壓下火球不斷膨脹，隨后逐漸降溫，核反應(yīng)慢慢停止，在整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，形成了各種物質(zhì)，最后演化成了今天的宇宙。

“既然有大爆炸，宇宙中就應(yīng)該留下一個(gè)火球。隨著宇宙的不斷膨脹，這個(gè)火球會(huì)一直冷卻下去，但不管變得多冷，這個(gè)火球應(yīng)該存在，我們應(yīng)該能夠看見它?！蔽湎蚱浇榻B，這個(gè)火球是大爆炸遺留下來(lái)的“熱輻射”，被稱為“宇宙微波背景輻射”，是一種充滿整個(gè)宇宙的電磁輻射。

尋找火球很重要。1956年，喬治·伽莫夫預(yù)測(cè)，火球冷卻溫度為零下267攝氏度。1965年，貝爾實(shí)驗(yàn)室兩位無(wú)線電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在調(diào)試天線時(shí)，發(fā)現(xiàn)一直有噪聲干擾?！疤煳膶W(xué)家很快意識(shí)到，這就是大爆炸火球的痕跡?！蔽湎蚱浇榻B，“今天我們已經(jīng)知道，火球最亮的部分，其溫度為零下270攝氏度。但是新的問(wèn)題又產(chǎn)生了，兩位工程師‘看到’的火球是均勻的。2006年，人類卻發(fā)現(xiàn)火球是不均勻的。”

不均勻的“宇宙的種子”可以生長(zhǎng)為宇宙的當(dāng)前結(jié)構(gòu)嗎？科學(xué)家把相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，對(duì)宇宙膨脹進(jìn)行模擬。從實(shí)際統(tǒng)計(jì)上發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)給出的模型和如今的宇宙結(jié)構(gòu)相差無(wú)幾。武向平表示，如果按照計(jì)算機(jī)模型繼續(xù)演化下去，宇宙的命運(yùn)一目了然。

宇宙到哪里去？

宇宙大爆炸創(chuàng)造了地球上的基本元素。

“高溫情況下，質(zhì)子、中子、電子無(wú)法穩(wěn)定結(jié)合，從而形成原子核。”武向平介紹，在宇宙大爆炸降溫的過(guò)程中，“一個(gè)質(zhì)子抓住一個(gè)電子，形成氫元素；兩個(gè)質(zhì)子、兩個(gè)中子、兩個(gè)電子形成氦元素。前者在宇宙中占比77%，后者占比23%。再看太陽(yáng)，氫元素占到73.46%，氦元素占到24.85%?！?/p>

宇宙中其他星體的物質(zhì)成分均為77%的氫元素和23%的氦元素，為什么太陽(yáng)的氫元素卻比77%的比例要少呢？“因?yàn)樘?yáng)在不停地燃燒氫元素變成氦元素。我們可以算下去，剩下的氫元素還能燃燒多少年？結(jié)果顯示，50億年以后，太陽(yáng)便不復(fù)存在。”武向平介紹。

眾所周知，化學(xué)元素周期表中有118種元素，除氫、氦和人造元素以外，其他元素又是從哪里來(lái)的呢？天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其他元素來(lái)自恒星核合成。恒星誕生之后，核心就會(huì)持續(xù)不斷地進(jìn)行核聚變，質(zhì)子不斷聚合在一起形成新的元素，同時(shí)釋放出巨大的能量。

“像太陽(yáng)這樣的恒星，一般死亡在鐵核上?！蔽湎蚱浇忉專阈怯?種命運(yùn)結(jié)局：像太陽(yáng)一般質(zhì)量的恒星終結(jié)于白矮星，比太陽(yáng)質(zhì)量大的恒星可能通過(guò)超新星爆炸變成中子星，質(zhì)量更大的恒星爆炸后就會(huì)變?yōu)楹诙础?/p>

在恒星死亡的過(guò)程中，恒星物質(zhì)急速向內(nèi)坍縮，不斷擠壓撞擊核心，進(jìn)而產(chǎn)生超強(qiáng)能量，這些能量足以讓死亡的恒星內(nèi)核重新“燃燒起來(lái)”，讓鐵元素繼續(xù)聚變下去。然后幾乎所有的元素都通過(guò)超新星爆發(fā)的方式釋放出來(lái)，拋散到浩瀚的星際空間。

“地球主要的質(zhì)量是由鐵組成的，鐵元素占比32.1%。在上一顆超新星爆炸的時(shí)候，金屬元素散布在星際空間，恰逢太陽(yáng)系形成，被太陽(yáng)系行星匯集利用，地球在形成之初曾捕獲到大量鐵元素。”武向平說(shuō)，地球上的稀有元素并不來(lái)自本身，而是來(lái)自中子星相撞。

主宰宇宙命運(yùn)的暗物質(zhì)是什么？

宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去，還是膨脹后再收縮回來(lái)呢？有什么辦法可以停止宇宙膨脹呢？

天文學(xué)家認(rèn)為，如果我們?cè)谟钪嬷腥M(jìn)一些物質(zhì)，這些物質(zhì)產(chǎn)生的引力可以把宇宙拉回來(lái)。那么，天上的星星加起來(lái)是否能達(dá)到停止膨脹的密度呢？“天文學(xué)家的看家本領(lǐng)就是數(shù)星星，但遺憾的是，所有星星加起來(lái)所貢獻(xiàn)的密度僅僅達(dá)到了讓宇宙停止膨脹值的千分之五，幾乎差了一千倍?！蔽湎蚱礁袊@。

但是，我們看到的物質(zhì)能代表真實(shí)的全部嗎？90年前，一位科學(xué)家分別通過(guò)光學(xué)和運(yùn)動(dòng)的方法測(cè)試一星系團(tuán)，其中有幾百顆星星，發(fā)現(xiàn)后者測(cè)出的結(jié)果是前者結(jié)果的400倍，因此推測(cè)出宇宙中應(yīng)該存在暗物質(zhì)。

“如今，我們可以測(cè)出，宇宙中的所有物質(zhì)中，發(fā)光物質(zhì)占比16%，暗物質(zhì)占比84%。發(fā)光物質(zhì)中只有20%是可見光?！蔽湎蚱浇榻B，“遺憾的是，兩者加起來(lái)的質(zhì)量?jī)H僅達(dá)到讓宇宙停止膨脹所需質(zhì)量的27%。因此，宇宙將永遠(yuǎn)地膨脹下去，各個(gè)恒星之間距離會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)，溫度越來(lái)越低?！?/p>

宇宙又將如何膨脹？是勻速、放緩速度還是加快速度呢？1988年，3位天文學(xué)家用測(cè)量超新星的辦法測(cè)試到，宇宙膨脹會(huì)越來(lái)越快。但是，宇宙為什么會(huì)加速膨脹，依然是個(gè)謎。

武向平表示，雖然現(xiàn)代宇宙學(xué)已經(jīng)取得了巨大的成功，但也留給我們更多的困惑：主宰宇宙命運(yùn)的暗物質(zhì)是什么？導(dǎo)致宇宙加速膨脹的神秘能量是什么？也許，籠罩在今天宇宙學(xué)上空的兩朵烏云正暗示著物理學(xué)甚至整個(gè)自然科學(xué)整個(gè)理論體系正處在革命的前夜，一場(chǎng)大變局即將來(lái)臨。