科普時(shí)報記者 張英賢

院士科普講堂?

仰望蒼穹，人類(lèi)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？面對宇宙，我們有很多靈魂之問(wèn)。

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(yíng)全國開(kāi)營(yíng)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(zhuān)家、中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院院長(cháng)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(shí)空的長(cháng)河，感受浩瀚宇宙的魅力。

宇宙從哪里來(lái)？

先人曾經(jīng)對“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)現宇宙膨脹的證據。1929年，哈勃在測量銀河系附近的其他星系時(shí)，發(fā)現這些星系看起來(lái)都在遠離我們而去，從而得出“宇宙是在膨脹的”這一結論。

在暑期科學(xué)課上，武向平對中學(xué)生們說(shuō)：“如果宇宙自誕生起就在不停地膨脹，那么隨著(zhù)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?！?/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(gè)高溫的核火球，進(jìn)行著(zhù)激烈的核反應，在高溫高壓下火球不斷膨脹，隨后逐漸降溫，核反應慢慢停止，在整個(gè)過(guò)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，宇宙中就應該留下一個(gè)火球。隨著(zhù)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)火球應該存在，我們應該能夠看見(jiàn)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(chēng)為“宇宙微波背景輻射”，是一種充滿(mǎn)整個(gè)宇宙的電磁輻射。

尋找火球很重要。1956年，喬治·伽莫夫預測，火球冷卻溫度為零下267攝氏度。1965年，貝爾實(shí)驗室兩位無(wú)線(xiàn)電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在調試天線(xiàn)時(shí)，發(fā)現一直有噪聲干擾?！疤煳膶W(xué)家很快意識到，這就是大爆炸火球的痕跡?！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(lèi)卻發(fā)現火球是不均勻的?！?/span>

不均勻的“宇宙的種子”可以生長(cháng)為宇宙的當前結構嗎？科學(xué)家把相關(guān)數據導入計算機中，根據萬(wàn)有引力定律，對宇宙膨脹進(jìn)行模擬。從實(shí)際統計上發(fā)現，計算機給出的模型和如今的宇宙結構相差無(wú)幾。武向平表示，如果按照計算機模型繼續演化下去，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(wú)法穩定結合，從而形成原子核?！蔽湎蚱浇榻B，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%?！?/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(yáng)的氫元素卻比77%的比例要少呢？“因為太陽(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？結果顯示，50億年以后，太陽(yáng)便不復存在?！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(lái)的呢？天文學(xué)家發(fā)現，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?zhuān)阈怯?種命運結局：像太陽(yáng)一般質(zhì)量的恒星終結于白矮星，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?/span>

在恒星死亡的過(guò)程中，恒星物質(zhì)急速向內坍縮，不斷擠壓撞擊核心，進(jìn)而產(chǎn)生超強能量，這些能量足以讓死亡的恒星內核重新“燃燒起來(lái)”，讓鐵元素繼續聚變下去。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?！蔽湎蚱秸f(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。

主宰宇宙命運的暗物質(zhì)是什么？

宇宙會(huì )永遠膨脹下去，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)家認為，如果我們在宇宙中塞進(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)是否能達到停止膨脹的密度呢？“天文學(xué)家的看家本領(lǐng)就是數星星，但遺憾的是，所有星星加起來(lái)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(shí)的全部嗎？90年前，一位科學(xué)家分別通過(guò)光學(xué)和運動(dòng)的方法測試一星系團，其中有幾百顆星星，發(fā)現后者測出的結果是前者結果的400倍，因此推測出宇宙中應該存在暗物質(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(jiàn)光?！蔽湎蚱浇榻B，“遺憾的是，兩者加起來(lái)的質(zhì)量?jì)H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(gè)恒星之間距離會(huì )越來(lái)越遠，溫度越來(lái)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(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(zhù)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。

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