科学大家|宇宙的起源:大爆炸之前是什么?

科学大家|宇宙的起源:大爆炸之前是什么?
2019年01月04日 09:08 科学大家

  出品| 新浪科技《科学大家》

  撰文| 蔡一夫 中国科学技术大学教授

  宇宙的起源,这个话题大家在平时日常生活中可能聊得比较少。几年前,我还是单身的时候,经常和家人,朋友聊这些话题,他们不约而同地去问:你是做什么的?我记得那个时候也会被安排和一些异性朋友见面,她们也会在餐桌前聊这些话题。我就会跟对方侃侃而谈半个小时,之后发现对面的椅子已经空了。但是我是非常幸运的人,两年半前我遇到了一个非常美丽的姑娘,她没有走,并且一直陪伴着我,不久前我们迎来了我们的小baby。我想把我的故事跟更多的朋友在一起分享,今天我们聊一聊 “我们宇宙的考古”。

  说到考古,大家经常想到的是关于人类起源的考古,今天我们考古学家发现数百万年前保存非常完整人类骸骨的化石,是一位女性,我们给她起名叫Lucy。他们不断挑战世界观的边界。那个时候我们对世界的认知非常有限,体现在地理上的约束上。他们不断地想走出非洲,走向世界,才有了今天:我们人类成为了地球的霸主。

  人类文明史上也出现过很多非常辉煌的文明,比如2300年前的欧洲出现了非常伟大的文明:古希腊文明。有一位哲学家被誉为智慧的集大成者,就是亚里士多德。他是一个非常天才的人,不仅集成了老师柏拉图所强调的教学概念,他还强调了科研的态度。

  当时,亚里士多德不仅兴建各种图书馆、博物馆,继承前人已知的知识外,还去兴建实验室,天文台,去观测当时他们所看到的一切物理现象和天体现象。于是,他发掘新的知识,创造了雅典学派或者说逍遥学派。他认为我们人类生活在一个球体上,就是地球。他认为地球是宇宙的中心,也就是所谓的地心说。他死后大约300多年,欧洲文明进入到了古罗马时期。古罗马时期也出现了一位哲学家,就是托勒密。托勒密继承了这样的观点,发展出成体系的地心学说。

  在地球的另一端,我们中国也正处于一个伟大的文明时期,就是汉朝。有一位伟大的天象学家就是张衡。张衡他出生在天象观测世家,他有着得天独厚的条件去积累前人的数据,最后制成了一个浑天仪,推翻了中国过去所持有的所谓天圆地方的理论。在人类文明史上长达1300多年的时间里,人类对宇宙的认识一直是被地心说和浑天说所统治。

  另一个重要的历史时期就是文艺复兴时期。大航海时代的开始,使当时人类对于科技的需求不断提高,很快他们把望远镜技术应用到天文观测。那时涌现了一大批天文学家,也是天文学作为现代科学最早兴起的第一个学科。当时哥白尼指出,如果坚持地心说,很多现象是没有办法解释的,比如经常开玩笑说我最近运气不太好,喝凉白开也塞牙缝,是犯了“水逆”。“水逆”是因为我们强行把我们的世界中心放在地球上,认为水星围绕地球转才看到了违反常识的现象。但如果把我们世界中心从地球稍稍往旁边挪那么一点点,挪到太阳这里,我们发现这些问题就迎刃而解了。哥白尼去世之后,一百年之后又一位非常伟大的天才,就是牛顿诞生了。牛顿用他的一生,创造了牛顿三大定律,还创造了微积分,最后形成了牛顿力学。当时,牛顿力学非常成功地解释了日心说,以太阳为中心,八大行星围绕太阳运动的体系,最终又形成了新的人类宇宙观和世界观。

  这个局面一直到上世纪初被另外一个人类天才所挑战,在1905年的时候,这位天才提出了相对论时空观的概念。大家应该都非常熟悉爱因斯坦提出的质能方程。他认为物质的质量是一种能量,是能量存在的一种形式。之后又花了十年把这个概念进行升级,到了1915年,爱因斯坦把狭义相对论升级到了广义相对论。

  而广义相对论的观点认为物质的质量可以使我们周边的时空发生扭曲,他认为引力不再是相互作用的概念,而是因为时空弯曲才体现出的现象。中国的一位伟大科学家杨振宁在2005年世界物理年对这项工作做了一个评论,他说洛伦兹提出相对论的数学公式,但是并没有给出物理解释;庞加莱在哲学上讨论相对论的意义,但是依然不明白相对论的物理含义;真正懂得相对论物理意义的人,只有那位26岁的年轻专利局小职员,就是这个可爱的小老头爱因斯坦。

  爱因斯坦提出了伟大的相对论时空观,之后我们人类很快就发展出来了一个新的宇宙观,我说的很快是指过去一百年,一百年的时间里我们努力研究宇宙的演化,形成了热大爆炸宇宙学说,这个学说成为了人类新的时空观和宇宙观。

  热大爆炸宇宙说描述了我们宇宙在过去138亿年的演化历史。其中有两个名词,一个是“暴涨(inflation)”,另一个是“宇宙微波背景辐射”。 “暴涨”,这个名词来自于经济学。“暴涨”指的是宇宙在138亿年前,时空奇点大爆炸之后,大约经历了10的负32次方秒的时间,宇宙体积放大了10的80次方倍,这是前所未有的一次剧烈放大。在暴涨前的一个原子结构大小,在暴涨之后,放大到跟太阳系整个体积大小一样的量级。发生这么早宇宙演化过程,就是我们所认为的宇宙起源的一种可能性。

  这个学说认为暴涨场导致了暴涨过程的发生。在上世纪80年代的时候,该学说成功地在宇宙微波背景辐射即所谓“宇宙的藏宝图”中,预言了宇宙微波背景辐射当中温度的涟漪。暴涨理论与90年代美国发射的空间卫星的观测结果惊人的一致,也就是说这个理论得到了实验上强有力的支持。

  但是,不论是热大爆炸宇宙学说,还是升级版的暴涨学说,都没有办法逃避一个问题,那就是认为宇宙来自于一个时空奇点。宇宙的温度、能量密度、压强,以及其他你所能想象的物理参量,在那一时刻都是发散,都是无穷大的。物理上我们很难接受无穷大的存在。有一些物理学家和天文学家会认为会存在着其他不同的宇宙起源,比如认为宇宙经过了漫长的收缩时期,然后又开始膨胀,建立了反弹宇宙学。这个学说也认为存在一个标量的物质场,经历不断的震荡演化,驱动了收缩的过程。这个学说也可以解释宇宙微波背景辐射上温度的涟漪。

  什么是宇宙微波背景辐射?宇宙微波背景辐射是宇宙中的藏宝图,宇宙大爆炸之后,38万年的时候给自己做了自拍。为什么这么说?大家想象一下,宇宙曾经有非常高的温度,在那种环境下,宇宙中的物质无法以我们熟悉的分子,原子的结构去存在,而是以带电离子的形式存在。那个时候的宇宙看上去像一锅粥一样。宇宙的膨胀耗散了宇宙自己的能量,等到宇宙的温度降低到某个临界温度以下的时候,宇宙中的质子和电子会形成稳定中性的氢原子,如同上帝说要有光,于是我们有了光。那个时刻宇宙发出的光如同脱缰野马一般狂奔,一直到被智慧生命,比如地球上的人类所捕获。这就是宇宙微波背景辐射的由来。

  宇宙微波背景辐射的发现意味着什么?意味着给这个世纪的人们带来了新的宇宙观,告诉我们,宇宙是一个有温度的宇宙。

  这个预言发生在上世纪40年代,当时已经有些物理学家和宇宙学家预言了宇宙的温度。上世纪70年代的时候,贝尔实验室的两位无线电工程师在一个非常巧合情况下,想做无线电实验,但总是有稳定的背景噪声存在,他们百思不得其解,甚至为此清理了实验室里面鸽子窝,但发现噪声还是存在。最终他们找到了美国普利斯顿大学的几位教授,因此发现了宇宙微波背景辐射。这个工作也获得了1978年的诺贝尔奖。我们的宇宙温度是2.725K,就是大约-270摄氏度。1989年美国发射的卫星发现了温度的涟漪,后来2006年被授予了诺贝尔物理学奖。

  经过半个世纪的努力,通过对宇宙微波背景辐射的不断的研究,我们得出结论:热大爆炸宇宙学关于宇宙在过去的138亿年中如何演化的理论,是非常正确的。并且我们还得到了一个非常有趣的宇宙组分的拼图,这个宇宙组分拼图中我们发现有68.9%的贡献来自于暗能量,有26%的贡献来自于暗物质,只有不到5%是来自于我们所熟悉的可见物质,比如氢元素。

  关于宇宙微波背景辐射,不仅有温度涟漪,如果把设备加上偏振片,会发生什么呢?上面会有偏振的图案,就像我们去电影院看电影过去看2D,现在看3D,图像会更加立体化。宇宙微波背景辐射当中藏着非常扭曲的偏振图案,而这个偏振图案当中藏着宇宙中非常宝贵的财富,就是来自宇宙最早期的引力波,称为原初引力波。

  原初引力波和物质密度波,这二者是宇宙起源模型当中必然存在的两种波动模式。原初引力波是时空量子涨落的涟漪,通过对原初引力波的研究,我们能更加准确地了解宇宙在极早期到底发生了什么。

  在2017年春天的国际会议上,有30多位顶级物理学家,包括4位诺贝尔奖获得者,对于宇宙的起源和演化问题吵得不可开交,我把他们吵架的文章整理一下,把辩论结果列了一下,基本达成一致的观点是宇宙微波背景辐射当中存在着两种偏振模式,E模偏振和B模偏振。各种各样的宇宙学模型对E模的预测比较接近,但是对B模偏振的预测差异巨大。如果能捕获到原初的B模偏振,就有机会解密我们的宇宙起源。

  把我们的偏振图像和非常美丽的梵高的《星空》组合在一起,会发现有惊人的类似之处。接下来一个很有趣的问题,我们到哪里去找这样一种图像呢?在地球上我们能够选择的地点并不是特别多,因为对于这种信号的捕获需要观测地具有非常好的天气条件,比如水气非常少,非常干燥,大气透明度度非常高的地区。地球上大约有四个理想的地点,分别是南半球的南极,南美洲智利的阿塔卡玛沙漠,北半球的格陵兰岛,还有中国的西藏。目前在国际上已经有很多这方面的努力,像南极的IceCube,在智利也有许多望远镜。北半球还不能说有这方面已建成的,但是我们中国正在努力建设的是西藏的ALiCPT。这个项目在2014年的时候由中科院高能所的张新民研究员提出,在2016年年底正式立项启动。这个项目是集结了中国所有的宇宙学研究力量,和国际上开展的合作项目。

  这三个图很有意思,第一个是卫星图,展示了地理位置,第二个是立项的时候拍的航拍图,高度是海拔5250米,这是位置的海拔。经过两年的努力,再给大家看一个一周之前我们拍的航拍图,我们完成了实验室的构建,完成了望远镜基座建设,这个地方要放置望远镜以及数据采集系统。

  回顾一下,过去在人类漫长的演化历史当中,人类历史每一次辉煌都见证了一个新的世界观、新的宇宙观的诞生。经过过去100年的努力,物理学家和宇宙学家描绘了一个非常成熟的宇宙观,就是热大爆炸宇宙学说。过去将近40年的历程中,一些有关宇宙起源的思考慢慢也在开始兴起,例如上世纪70年代和80年代所提出的暴涨学说,成功预言了宇宙微波背景辐射当中存在的温度涟漪。但是无论是暴涨还是大爆炸宇宙学,都没有办法回答我们宇宙是如何从一个时空基点,从一个发散的点演化而来的。

  所以,近20年我们宇宙学家开始涉猎到新的领域,就是反弹宇宙学,针对大爆炸奇点展开一系列科学研究。很幸运的是,天文学已经进入了新的时代,是以前的人非常难以想象的黑科技时代,就是引力波时代,2015年9月份人类首次捕获来自黑洞的引力波,LIGO引力波天文台发现的,欧洲的LISA项目,还有中国积极推进的天琴和太极项目,这些都在为未来人类的发展做着不懈的努力。我们想要去了解宇宙最一开始到底发生了什么,我们需要想办法捕获那个时候的原初引力波,我们想利用宇宙微波背景辐射的偏振实验捕获这么神奇的信号。中国正在推进的ALiCPT项目就是我们的尝试。

  最后引用非常有名的科幻电影《星际迷航》的话,我们想要做的事情是去那前人未至之境,发掘全新的世界观,踏上一段开拓之旅。(图片由蔡一夫教授提供)

  附蔡一夫教授接受新浪科技采访实录

  如何研究黑洞

  新浪科技:星际穿越这部电影中提到,人类要想彻底研究出黑洞的话,需要进入黑洞内部,研究出奇点的数据才可以,你是如何认为的?

  蔡一夫:这部片子上映时,我还没回国,所以我是在加拿大看的这部影片,给我印象特别深刻的就是这个片子,因为我特别喜欢看硬科幻的电影,这样能留出空间,给我去找电影中逻辑不通及悖论的地方,我自己比较喜欢干这种挑刺的 “活”。我特别震惊的并不是虫洞模型,和黑洞模型,而是男主人公跌入黑洞时的表现手法。如何描述出黑洞背后的世界,如何去体现处理?这些是我之前从来没有想到过的。

  新浪科技:只有进入黑洞内部才能研究黑洞吗?

  蔡一夫:我不完全认同,2011年还是2012年的时候,我记不太清了,当时我在网上看文章,看到一篇霍金自己一个人署名的文章,你知道这就意味着什么?霍金的身体状态大家也清楚,说明在他人生生命的最后几年,他还在思考这个事情,他提出了一个新的理论,新的学说,黑洞表面可能并不是人类想象的那样空无一物。其实他是在尝试把他这一生中所取得的最高成就的这个理论,把它推翻掉。

  外星生命比较包容?

  新浪科技:有人说,研究天文会让人觉得自己很渺小,您怎么看?

  蔡一夫:每个人都有自己合适的位置,我们对这个世界的认知实际上是来自于两层面的。一个是个体所在的环境,我们自己所扮演的一个角色,我们的宇宙有138亿年的历史,从这个角度来看,人类确实非常渺小。还有一个是个人对于自己内心的认识。每个生命的存在,都起到了非常重要的作用,如同我们对于父母,就是非常重要的存在。

  新浪科技:之前听说您不太认同《三体》里面的黑暗森林法则,假如存在外星人的话,那么他们会是一种什么样的文明?

  蔡一夫:黑暗森林法则的观点是,如果我们想要一个文明延续下去,活下去就需要躲起来,如果你太嚣张了,就会成为所谓的出头鸟,但是我的个人的观点正好是相反,假如存在外星生命的话,一定是具有包容性比较高的文化。

  讲课曾经被问“懵”

  2010年,蔡一夫在中国科学院高能物理研究所获得博士学位,随后在国外做了两期博后,2015年回中国科学技术大学任教。

  新浪科技:您在国内拿到PhD学位,在国外做了两期博后,对比国内外的培养模式,您有哪些看法

  蔡一夫:其实,东西方的教学模式各有千秋。国外的培养模式是一种鼓励启发性的教育;而国内更多的是传统意义上授课类的教学方式,所以国内的学生基本功都非常扎实,但作为一名老师,我比较发愁的是,如何让学生提问。而在这一点,国外的学生就做的相对比较好。

  让我印象最深的是,有一次在国外讲学,居然被学生问懵掉了。当时我觉得特别没面子,但我的导师却告诉我,这应该值得高兴,说明我的课讲得很好。但在国内,无论教学,还是做报告,学生提问问题的都太少了。

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