科普時報記者 張英賢

院士科普講堂?

仰望蒼穹，人類一直都在追問：宇宙是什么？從哪里來？到哪里去？誰在決定它的命運？面對宇宙，我們有很多靈魂之問。

近日，由中國科協(xié)、教育部共同主辦的2023年青少年高?？茖W(xué)營全國開營式暨“全國中學(xué)生同上一堂暑期科學(xué)課”舉辦。中國科學(xué)院院士、“科學(xué)與中國”院士專家、中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院院長武向平以“認識我們的宇宙”為主題，帶領(lǐng)中學(xué)生們仰望蒼穹，穿越宇宙時空的長河，感受浩瀚宇宙的魅力。

宇宙從哪里來？

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

在暑期科學(xué)課上，武向平對中學(xué)生們說：“如果宇宙自誕生起就在不停地膨脹，那么隨著時間不斷倒退，總有一刻宇宙中的物質(zhì)會聚集在一起?！?/span>

美國核物理學(xué)家、宇宙學(xué)家喬治·伽莫夫認為，宇宙最初是一個高溫的核火球，進行著激烈的核反應(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，在整個過程當中，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)該留下一個火球。隨著宇宙的不斷膨脹，這個火球會一直冷卻下去，但不管變得多冷，這個火球應(yīng)該存在，我們應(yīng)該能夠看見它。”武向平介紹，這個火球是大爆炸遺留下來的“熱輻射”，被稱為“宇宙微波背景輻射”，是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。

尋找火球很重要。1956年，喬治·伽莫夫預(yù)測，火球冷卻溫度為零下267攝氏度。1965年，貝爾實驗室兩位無線電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在調(diào)試天線時，發(fā)現(xiàn)一直有噪聲干擾?！疤煳膶W(xué)家很快意識到，這就是大爆炸火球的痕跡。”武向平介紹，“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?！?/span>

不均勻的“宇宙的種子”可以生長為宇宙的當前結(jié)構(gòu)嗎？科學(xué)家把相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中，根據(jù)萬有引力定律，對宇宙膨脹進行模擬。從實際統(tǒng)計上發(fā)現(xiàn)，計算機給出的模型和如今的宇宙結(jié)構(gòu)相差無幾。武向平表示，如果按照計算機模型繼續(xù)演化下去，宇宙的命運一目了然。

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程中，“一個質(zhì)子抓住一個電子，形成氫元素；兩個質(zhì)子、兩個中子、兩個電子形成氦元素。前者在宇宙中占比77%，后者占比23%。再看太陽，氫元素占到73.46%，氦元素占到24.85%?！?/span>

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，為什么太陽的氫元素卻比77%的比例要少呢？“因為太陽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，太陽便不復(fù)存在?！蔽湎蚱浇榻B。

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的呢？天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其他元素來自恒星核合成。恒星誕生之后，核心就會持續(xù)不斷地進行核聚變，質(zhì)子不斷聚合在一起形成新的元素，同時釋放出巨大的能量。

“像太陽這樣的恒星，一般死亡在鐵核上?！蔽湎蚱浇忉?，恒星有3種命運結(jié)局：像太陽一般質(zhì)量的恒星終結(jié)于白矮星，比太陽質(zhì)量大的恒星可能通過超新星爆炸變成中子星，質(zhì)量更大的恒星爆炸后就會變?yōu)楹诙础?/span>

在恒星死亡的過程中，恒星物質(zhì)急速向內(nèi)坍縮，不斷擠壓撞擊核心，進而產(chǎn)生超強能量，這些能量足以讓死亡的恒星內(nèi)核重新“燃燒起來”，讓鐵元素繼續(xù)聚變下去。然后幾乎所有的元素都通過超新星爆發(fā)的方式釋放出來，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候，金屬元素散布在星際空間，恰逢太陽系形成，被太陽系行星匯集利用，地球在形成之初曾捕獲到大量鐵元素?！蔽湎蚱秸f，地球上的稀有元素并不來自本身，而是來自中子星相撞。

主宰宇宙命運的暗物質(zhì)是什么？

宇宙會永遠膨脹下去，還是膨脹后再收縮回來呢？有什么辦法可以停止宇宙膨脹呢？

天文學(xué)家認為，如果我們在宇宙中塞進一些物質(zhì)，這些物質(zhì)產(chǎn)生的引力可以把宇宙拉回來。那么，天上的星星加起來是否能達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，所有星星加起來所貢獻的密度僅僅達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)能代表真實的全部嗎？90年前，一位科學(xué)家分別通過光學(xué)和運動的方法測試一星系團，其中有幾百顆星星，發(fā)現(xiàn)后者測出的結(jié)果是前者結(jié)果的400倍，因此推測出宇宙中應(yīng)該存在暗物質(zhì)。

“如今，我們可以測出，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，兩者加起來的質(zhì)量僅僅達到讓宇宙停止膨脹所需質(zhì)量的27%。因此，宇宙將永遠地膨脹下去，各個恒星之間距離會越來越遠，溫度越來越低?！?/span>

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)家用測量超新星的辦法測試到，宇宙膨脹會越來越快。但是，宇宙為什么會加速膨脹，依然是個謎。

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)甚至整個自然科學(xué)整個理論體系正處在革命的前夜，一場大變局即將來臨。

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