高能天體物理學(xué)最高獎(jiǎng)Rossi Prize最年輕獲得者，銀河系巨型氣泡結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)人蘇萌

　　CC講壇第23期于2018年2月9日在深圳隱秀山居酒店舉行。高能天體物理學(xué)最高獎(jiǎng)Rossi Prize最年輕獲得者，銀河系巨型氣泡結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)人蘇萌出席并以《探索宇宙的起源，讀解全新的宇宙》為題進(jìn)行演講。他通過(guò)宇宙起源與演化，高能天體物理學(xué)，黑洞與引力波，暗物質(zhì)與暗能量等的研究，帶領(lǐng)聽(tīng)眾們?nèi)碌恼J(rèn)識(shí)了宇宙。

　　以下為演講摘編：

　　大家有沒(méi)有過(guò)這樣的體驗(yàn)，走出城市到一個(gè)遠(yuǎn)離城市燈光污染的地方抬頭仰望星空。

　　其實(shí)，仰望星空對(duì)每一個(gè)人來(lái)說(shuō)都是一件不簡(jiǎn)單的事情。幾千年以來(lái)，人類仰望星空感受到的是一種震撼是一種神秘。其實(shí)我們今天生活在一個(gè)非常不簡(jiǎn)單的時(shí)代，因?yàn)閺墓畔ＥD開(kāi)始人們?nèi)ベ澝佬强铡⑷ニ伎夹强铡＝裉煊捎诳茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們真真正正能以科學(xué)的手段去回答一些最基本的問(wèn)題了。比如說(shuō)看到星空，大家會(huì)問(wèn)什么樣的問(wèn)題呢？很多人會(huì)問(wèn)我：“宇宙是由什么組成的？我們從哪里來(lái)？到哪里去？到底是什么樣的規(guī)律在統(tǒng)治著宇宙中千千萬(wàn)萬(wàn)的事物和物體？”如果50年前我告訴大家，人類已經(jīng)了解宇宙的來(lái)龍去脈，可以很自信地告訴大家宇宙是從哪里來(lái)到哪里去的，那大家會(huì)認(rèn)為我是個(gè)偽科學(xué)家。但是，在過(guò)去二三十年技術(shù)發(fā)展的情況下，我們真真正正地去回答了一些最基本的問(wèn)題。同時(shí)，另一方面在回答問(wèn)題的過(guò)程中，我們又發(fā)現(xiàn)了另一些未知的東西打開(kāi)了對(duì)宇宙全新的認(rèn)識(shí)。第一個(gè)問(wèn)題：我想問(wèn)問(wèn)大家， 從古希臘、古羅馬時(shí)期， 人們?cè)谟^察星空的時(shí)候會(huì)很自然地想像我們站在地球上， 周圍的東西好像都是圍繞著我們轉(zhuǎn)，太陽(yáng)東升西落，月亮、行星都像是在圍繞著我們地球在運(yùn)動(dòng)，所以很自然認(rèn)為地心說(shuō)的說(shuō)法（宇宙和世界是圍繞著我們?nèi)祟惔嬖诘模＿@地心說(shuō)統(tǒng)治了人類很長(zhǎng)時(shí)間，一直到文藝復(fù)興時(shí)期哥白尼開(kāi)始意識(shí)到有一些更仔細(xì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，是沒(méi)有辦法用地球在世界中心的說(shuō)法去解釋。所以，他提出了日心說(shuō)，第一次改變?nèi)祟愖鳛橛钪嬷行倪@樣一個(gè)觀念和意識(shí)。

　　在1609年伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡徹底打開(kāi)了人類認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)方式。我們除了用肉眼去觀察星空，我們可以看到更遠(yuǎn)的、更細(xì)節(jié)的、更豐富的一些宇宙結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象。今天，不僅是在光學(xué)可見(jiàn)的波段，我們從射電波段（最長(zhǎng)的波段叫射電波段）、微波、光學(xué)、紅外、紫外、X線、伽馬線、整個(gè)的電磁波段，人類的技術(shù)發(fā)展都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用不同種類的望遠(yuǎn)鏡，巨大的射電天線，空間中發(fā)射的幾十顆天文學(xué)衛(wèi)星，都試圖去回答越來(lái)越多的宇宙最基本的問(wèn)題。在回答這些問(wèn)題的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了很多非常有趣的現(xiàn)象。首先，宇宙有多大？我們今天不知道宇宙有多大，因?yàn)槲覀兡軌蚩吹降闹皇撬^的可觀測(cè)的宇宙。宇宙從誕生到今天經(jīng)過(guò)了137.9億年的時(shí)間。光速是有限的，光能夠跑的距離我們把它叫做可觀測(cè)宇宙，今天我們能夠原則上介紹的信號(hào)就是這么多。那這個(gè)宇宙的直徑有多大呢，大概是1000億光年（也就光要跑1000億年）。在這個(gè)范圍內(nèi)，我們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系在銀河系里面，銀河系大概由幾千億顆恒星組成的。在這個(gè)可觀測(cè)宇宙里面有幾千億個(gè)星系組成的。什么概念呢？如果說(shuō)天上每一個(gè)星，就是地球上的一粒砂子的話，地球上所有的沙子的總量都沒(méi)有宇宙中星星的數(shù)量多。所以，大家可以想象這是一個(gè)多么龐大和震撼的一個(gè)客體— 宇宙！

　　那再往下，我們具體來(lái)看物質(zhì)在宇宙中是怎么分布的。這張圖展示的是：今天用現(xiàn)代的超級(jí)計(jì)算模擬宇宙演化的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)宇宙的物質(zhì)分布不是均勻的，是有這種絮狀的集團(tuán)性的結(jié)構(gòu)（主要是由暗物質(zhì)組成），這些絲絲縷縷的聯(lián)系的中心， 由于引力的作用會(huì)有宇宙物質(zhì)的聚集，在這些物質(zhì)的聚集的范圍內(nèi)會(huì)有產(chǎn)生這種形成所謂的星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)。也就是今天我們宇宙中所能形成最大獨(dú)立的一個(gè)結(jié)構(gòu)，在引力的作用下叫做星系團(tuán)。成千上萬(wàn)顆星系組成了這么一個(gè)集團(tuán)，我們銀河系所在的星系團(tuán)叫做室女座星系團(tuán)。大概是長(zhǎng)這么一個(gè)樣子。再往下分，我們銀河系又在本星系群里面，也就銀河系和旁邊的一個(gè)叫做仙女座星系，這兩個(gè)主要的大星系周圍還有幾十個(gè)小的星系，我們叫矮星系組成的，我們?cè)诒拘窍等豪锩妗ｋm然我們?cè)阢y河系里面，仰望星空時(shí)我會(huì)看到所謂的銀河，看到投影出一個(gè)帶狀的結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為銀河系是一個(gè)懸臂的、盤狀的星系，太陽(yáng)系離銀河系中心大概有20萬(wàn)光年。這樣的圓，我們并不是在銀河系中心，所以太陽(yáng)只是一個(gè)非常普通的星系里面的一個(gè)非常普通的恒星。我們地球是在非常普通，恒星旁邊一個(gè)非常普通的行星。天文學(xué)發(fā)展以來(lái)，我們對(duì)銀河系最基本的認(rèn)識(shí)就是這樣的。

　　很有意思是我們做了一個(gè)研究，通過(guò)美國(guó)NASA的費(fèi)米伽馬射線望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行一個(gè)伽馬射線波段的銀河系觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)銀河系除了我們?nèi)庋劭吹降囊粋€(gè)帶狀的、盤狀的結(jié)構(gòu)之外，有一對(duì)非常巨大的對(duì)稱氣泡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，是從來(lái)沒(méi)有被人看到過(guò)。只有在伽馬射線波段展現(xiàn)出來(lái)。為什么我們能看到？當(dāng)然是由于技術(shù)的進(jìn)步我們?cè)谛碌牟ǘ未蜷_(kāi)新的窗口，發(fā)現(xiàn)了以前從來(lái)沒(méi)有想象過(guò)的一個(gè)結(jié)構(gòu)，叫做所謂的費(fèi)米氣泡。它意味著我在我們銀河系的中心有一個(gè)巨大的黑洞，這個(gè)黑洞的質(zhì)量比我們太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍還要再重。不僅如此，這個(gè)黑洞在幾百萬(wàn)年前很有可能發(fā)生過(guò)劇烈的一個(gè)過(guò)程，吞噬了周圍相當(dāng)大質(zhì)量的一團(tuán)物質(zhì)，然后產(chǎn)生了一個(gè)劇烈的噴射的霧團(tuán)，這個(gè)霧團(tuán)由很高能的電子組成的，被我們今天的望遠(yuǎn)鏡觀察到了。所以，即便我們今天生活的星系里面，銀河系依然有很多很多的現(xiàn)象是我們不知道的。只有通過(guò)不斷地去探索和用更先進(jìn)的技術(shù)去觀察， 用數(shù)據(jù)、用事實(shí)的方式才能告訴我們。我們深知生活在一個(gè)什么樣的地方 ，我們?cè)谝粋€(gè)怎樣的環(huán)境，太陽(yáng)是一個(gè)很普通的恒星，在太陽(yáng)周圍大概幾十顆恒星，是在50光年范圍之內(nèi)的。離我們最近的恒星叫比鄰星，20年前天文學(xué)家，依然會(huì)認(rèn)為我們地球是很不容易的。一顆星星有這樣的環(huán)境去生長(zhǎng)高能智慧生命，但其實(shí)即便離我們太陽(yáng)最近的比鄰星在去年也發(fā)現(xiàn)了很有可能存在著適合人類居住的行星帶，而且有行星的確落在這個(gè)行星帶。所以很有可能有生命，至少生命宜居的環(huán)境是在宇宙中大量存在的。這意味著只有科學(xué)不斷地去探索，才能回答這些最基本的問(wèn)題。

　　回到我們太陽(yáng)系，我們太陽(yáng)系從哪里來(lái)？組成在座的各位人體的這些物質(zhì)和一些重的金屬，從哪里來(lái)？天文學(xué)已經(jīng)可以回答這些問(wèn)題，我們今天坐在這里，是因?yàn)樵谟钪媛L(zhǎng)的一百多億年的演化當(dāng)中，銀河系的這個(gè)環(huán)境下反復(fù)地有大質(zhì)量的恒星，去形成、去爆炸、去死亡。再把物質(zhì)噴射出來(lái)，在恒星的中心反復(fù)地進(jìn)行核聚變的過(guò)程演化出來(lái)重金屬，在爆炸的過(guò)程中把重金屬進(jìn)一步演化成更高 超過(guò)鐵的元素，都是在非常劇烈的天體物理活動(dòng)當(dāng)中形成了我們今天在座身體上所有的這些重要的元素。我們不僅是一個(gè)高等智慧生命再研究一個(gè)客觀的宇宙，而是我們本身就是宇宙演化的產(chǎn)物，我們本身就是宇宙在我們身上的一個(gè)體現(xiàn)。在這樣的環(huán)境下形成一種高智慧的生命去思考理解宇宙，是非常非常不簡(jiǎn)單的一件事情。

　　在40年前，美國(guó)發(fā)射過(guò)一顆衛(wèi)星叫做旅行者一號(hào)。旅行者一號(hào)是迄今為止人類發(fā)射的唯一一個(gè)正式飛出太陽(yáng)系的衛(wèi)星，它飛了整整40年。在1990年的情人節(jié)2月14號(hào)，這顆衛(wèi)星調(diào)轉(zhuǎn)方向?qū)?zhǔn)地球的方向，拍攝了這樣的一張照片，這個(gè)照片是著名的行星科學(xué)家、科普學(xué)家卡爾薩根先生建議拍攝的。在右面這張圖里面，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)我用藍(lán)色的這個(gè)小圈圈出來(lái)的那就是地球。在飛行到太陽(yáng)系邊緣，人類制造的衛(wèi)星反過(guò)來(lái)去拍攝地球的時(shí)候，我們所有聽(tīng)說(shuō)過(guò)的，發(fā)生在地球上的 ，其實(shí)就在這個(gè)暗淡的藍(lán)點(diǎn)上。天文學(xué)的研究是意識(shí)到人類的卑微，又意識(shí)到人類的偉大。我們卑微在我們太普通了，但是我們又如此的不平凡，因?yàn)槲覀冇羞@樣的意愿和能力去了解、探索的這種好奇心。宇宙是一個(gè)什么樣的狀態(tài)？這是一件非常不簡(jiǎn)單的事情，宇宙中有這樣的結(jié)構(gòu)，歸根結(jié)底，是引力造成了宇宙今天豐富多彩的世界。

　　什么是引力，這是一個(gè)很不簡(jiǎn)單的問(wèn)題，今天我們都沒(méi)有真正回答這個(gè)問(wèn)題。牛頓在康熙26年，提出了萬(wàn)有引力定律（就是物體與物體之間有引力，它跟物體的質(zhì)量是成正比的，距離平方成反比），這個(gè)最基本的經(jīng)典引力理論統(tǒng)治了世界大概200多年，一直到一個(gè)人的出現(xiàn)就是愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦說(shuō)，“其實(shí)物質(zhì)與物質(zhì)之間并沒(méi)有引力，沒(méi)有力的概念存在，引力其實(shí)就是本質(zhì)上講是時(shí)空的幾何發(fā)生了變化，也就是月球繞著地球轉(zhuǎn)，并不是月球感受到了地球的存在，而是地球的存在使得時(shí)空作為一個(gè)幾何它發(fā)生了扭曲，發(fā)生了形變。月亮只是按照它當(dāng)時(shí)所在的位置，感受到了這個(gè)幾何時(shí)空的變化在運(yùn)動(dòng)，它其實(shí)并不知道地球的存在，所以引力本身是時(shí)空的幾何。它是更本質(zhì)的對(duì)引力概念進(jìn)行一個(gè)解釋，至少今天，我們認(rèn)為廣義論相對(duì)論是正確的。那么，廣義論相對(duì)論有一個(gè)很重要的預(yù)言，如果時(shí)空發(fā)生了劇烈的變化就像是平靜的水面扔一個(gè)石子發(fā)生的震蕩的時(shí)候，水波會(huì)以波的形式傳播開(kāi)來(lái)，時(shí)空是也是一樣的。比如說(shuō)，兩個(gè)黑洞很劇烈地發(fā)生并合的過(guò)程中，就會(huì)產(chǎn)生引力波。但是愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)計(jì)算，是很難用當(dāng)時(shí)的技術(shù)探測(cè)到的。他認(rèn)為人類是沒(méi)有能力去探測(cè)到的，那么就在兩年前，美國(guó)的叫做LIGO的實(shí)驗(yàn)，用激光干涉引力波觀測(cè)平臺(tái)，首次在愛(ài)因斯坦提出廣義論相對(duì)論之后整整100年發(fā)現(xiàn)了遙遠(yuǎn)的幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并合后產(chǎn)生的引力波。這是一個(gè)非常非常不簡(jiǎn)單的事情。這個(gè)引力波穿過(guò)地球的時(shí)候，整個(gè)地球的直徑只改變了質(zhì)子的十倍，也就十個(gè)質(zhì)子這么大，或者換句話說(shuō)，從太陽(yáng)系一直到比鄰星（我們最近的恒星）4.2個(gè)光年， 光要有四年多的時(shí)間， 這個(gè)距離只是改變了人的頭發(fā)絲的直徑這么大。愛(ài)因斯坦認(rèn)為我們不可能看到，我們依然在100年之后看到了。可以給大家聽(tīng)一下，兩個(gè)黑洞并合之后產(chǎn)生的引力波是什么樣的聲音。這就是第一次人類聆聽(tīng)到了宇宙中兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的引力波。后來(lái)發(fā)現(xiàn) “引力波” 作為一個(gè)熱詞被各種各樣的人頻繁地使用。當(dāng)時(shí)人民日?qǐng)?bào)采訪我的時(shí)候說(shuō)， 到底能不能解釋一下什么是引力波，我就建議他畫這樣一個(gè)漫畫。愛(ài)因斯坦就像一個(gè)指揮家一樣站在這個(gè)舞臺(tái)上，不同的引力波從黑洞里面誕生，從其他的天體物理環(huán)境下誕生，它充斥著宇宙中的一個(gè)交響樂(lè)。400年前的伽利略第一次親手制作的望遠(yuǎn)鏡指向夜空的時(shí)候，我們是看到了宇宙的規(guī)模，今天我們通過(guò)聆聽(tīng)引力波，聆聽(tīng)到了宇宙的第一個(gè)音符 ，宇宙誕生的最開(kāi)始，整個(gè)時(shí)空撞上的一瞬間，肯定是整個(gè)非常劇烈的一次震蕩， 這種震蕩意味著它一定會(huì)以一種引力波的方式存在在我們這個(gè)時(shí)空中，它太久遠(yuǎn)了，所以信號(hào)非常非常的微弱，我把它叫做洪荒引力波。

　　洪荒引力波為什么會(huì)重要，因?yàn)樗钪娴钠鹪从嘘P(guān)。我們有時(shí)候叫做平行宇宙，有沒(méi)有其他的世界存在。所有這些問(wèn)題要回答一定要追蹤到最開(kāi)始產(chǎn)生宇宙的時(shí)候是什么樣的物理過(guò)程，我們觀測(cè)洪荒引力波是一個(gè)非常重要的基本手段，在2014年，我們當(dāng)時(shí)感覺(jué)到應(yīng)該已經(jīng)可以看到引力波了，但事實(shí)上由于這個(gè)觀測(cè)條件的有限，只在一個(gè)地方觀測(cè)引力波是很難得到確切的答案。當(dāng)時(shí)我就已經(jīng)想到了利用我們國(guó)家西藏地區(qū)高海拔的環(huán)境，建立自己的引力波觀測(cè)平臺(tái)，在阿里地區(qū)正式建設(shè)了這樣的一個(gè)天文臺(tái)，叫阿里天文臺(tái)！是世界上海拔最高的天文臺(tái)。迄今為止，我把它叫做在世界的屋脊聆聽(tīng)宇宙的初啼。

　　還有一個(gè)問(wèn)題剛才沒(méi)有回答，就是暗物質(zhì)是什么？也就是宇宙是由什么組成的，今天我們可以確切地拍著胸脯告訴大家，宇宙由這三種物質(zhì)組成，一種叫做暗能量，不知道它是什么，因?yàn)榻凶霭档哪芰俊Ｎ覀冊(cè)噲D去了解發(fā)現(xiàn)，越了解越不清楚，這就是科學(xué)研究的過(guò)程。今天沒(méi)有辦法去了解它。第二大組成叫暗物質(zhì)，它實(shí)際上是物質(zhì)，我們至少知道它是物質(zhì)，它是不是粒子，是什么樣的屬性，我們并不知道，但是我們?cè)噲D去回答這個(gè)問(wèn)題，這是我們中國(guó)發(fā)射的第一顆天文衛(wèi)星叫做暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。兩年前成功發(fā)射，成功發(fā)射以后把它命名叫“ 悟空 ”。這是我們當(dāng)時(shí)在懷柔的測(cè)控中心拍攝的照片，每個(gè)人都發(fā)一樣的衣服帶一個(gè)非常非常小的帽子，我看起來(lái)很滑稽。一個(gè)半月前，我們發(fā)布了悟空衛(wèi)星上的首批科學(xué)成果，這個(gè)科學(xué)成果，當(dāng)然也是入選了全球十大航天新聞 ，我們當(dāng)然非常希望未來(lái)挖掘悟空里面珍貴的數(shù)據(jù)，去試圖幫助人們回答一些我們不知道的問(wèn)題。

　　我們?yōu)槭裁匆剿饔钪妫芏嗳藛?wèn)我這個(gè)問(wèn)題，說(shuō)你看悟空發(fā)射了，有這樣的發(fā)現(xiàn)，到底有什么用，探測(cè)暗物質(zhì)到底有什么用？這是一個(gè)非常好的問(wèn)題，當(dāng)然不同的人不同科學(xué)家，會(huì)用不同的方式去回答。其實(shí)我覺(jué)得，人類為什么要探索宇宙，地球上總是會(huì)有些坐不住的人，他會(huì)去試圖回答這些問(wèn)題，試圖去回答那些幾千年以來(lái)人們一直在試圖回答的問(wèn)題，而今天我們真的有一些能力有一些技術(shù)手段去對(duì)這些問(wèn)題做出一些理性的回答，我覺(jué)得探索本身是來(lái)自于人類本質(zhì)的一種好奇心，這種好奇心是不可改變的，是一種人類文明自然推動(dòng)，就沒(méi)有人能夠阻礙。即便你不探索，我不探索，總會(huì)有人去探索，我覺(jué)得宇宙的規(guī)則雖然是不可改變的。宇宙太大人類太小了，我們不管怎么探索，宇宙永遠(yuǎn)在那里，但是我覺(jué)得很神奇的一件事情是，我們?nèi)祟惥陀靡还镏氐拇竽X就可以裝下整個(gè)宇宙，真的是去理性地回答這些問(wèn)題而且反復(fù)地驗(yàn)證。我們的這些思考真的是對(duì)的，在宇宙中用真相用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)我們的這些思考是有道理的。這個(gè)事情本身真的是非常非常的不簡(jiǎn)單，今天我們?cè)谝粋€(gè)大航天時(shí)代，大家通過(guò)火箭把很多探測(cè)的衛(wèi)星發(fā)射到太空中，我覺(jué)得不管怎樣，人類這種探索的腳步有可能是一個(gè)孤獨(dú)的旅程，因?yàn)槟愫茈y知道是否有其他的生命在宇宙中做同樣的事情。即便他在做同樣的事情，是不是有可能跟你發(fā)生這種信息的交換，告訴你指引著你應(yīng)該何去何從， 既然我們作為一個(gè)智慧生命存在我們不知道我們何去何從，但是我覺(jué)得文明要有這樣的擔(dān)當(dāng)，我們既然存在，既然能思考，我們就要回答一個(gè)最基本的問(wèn)題，這樣的文明才有希望。愛(ài)因斯坦說(shuō)：“宇宙中最不可思議的事情，就是宇宙竟然是可以被理解的，宇宙中這是永遠(yuǎn)充滿了驚喜，不是說(shuō)宇宙就可以理解了，我就理解了，而這是在你理解的過(guò)程中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，你越知道的多越不知道得多，所有的這個(gè)未知探索，都是讓你感受到這種文明的力量，感受到我們今天站在這里回答這些最基本的問(wèn)題是一件多么自豪的事情，因?yàn)檫@個(gè)是宇宙！

　　宇宙應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)你的想象力，我相信未來(lái)人類的發(fā)展會(huì)給大家?guī)?lái)更多意想不到的事情， 謝謝大家！

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責(zé)任編輯：梁斌 SF055