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：宇宙是什麽(me) ？從(cong) 哪裏來？到哪裏去？誰在決(jue) 定它的命運？麵對宇宙，我們(men) 有很多靈魂之問。

近日，由中國科協、教育部共同主辦的2023年青少年高校科學營全國開營式暨“全國中學生同上一堂暑期科學課”舉(ju) 辦。中國科學院院士、“科學與(yu) 中國”院士專(zhuan) 家、中國科學院大學天文與(yu) 空間科學學院院長武向平以“認識我們(men) 的宇宙”為(wei) 主題，帶領中學生們(men) 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(cong) 哪裏來？

先人曾經對“宇宙從(cong) 哪裏來”這個(ge) 問題作出多種想象，直到哈勃發現宇宙膨脹的證據。1929年，哈勃在測量銀河係附近的其他星係時，發現這些星係看起來都在遠離我們(men) 而去，從(cong) 而得出“宇宙是在膨脹的”這一結論。

在暑期科學課上，武向平對中學生們(men) 說：“如果宇宙自誕生起就在不停地膨脹，那麽(me) 隨著時間不斷倒退，總有一刻宇宙中的物質會(hui) 聚集在一起。”

美國核物理學家、宇宙學家喬(qiao) 治·伽莫夫認為(wei) ，宇宙最初是一個(ge) 高溫的核火球，進行著激烈的核反應，在高溫高壓下火球不斷膨脹，隨後逐漸降溫，核反應慢慢停止，在整個(ge) 過程當中，形成了各種物質，最後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(ge) 火球。隨著宇宙的不斷膨脹，這個(ge) 火球會(hui) 一直冷卻下去，但不管變得多冷，這個(ge) 火球應該存在，我們(men) 應該能夠看見它。”武向平介紹，這個(ge) 火球是大爆炸遺留下來的“熱輻射”，被稱為(wei) “宇宙微波背景輻射”，是一種充滿整個(ge) 宇宙的電磁輻射。

尋找火球很重要。1956年，喬(qiao) 治·伽莫夫預測，火球冷卻溫度為(wei) 零下267攝氏度。1965年，貝爾實驗室兩(liang) 位無線電工程師阿諾·彭齊亞(ya) 斯和羅伯特·威爾遜在調試天線時，發現一直有噪聲幹擾。“天文學家很快意識到，這就是大爆炸火球的痕跡。”武向平介紹，“今天我們(men) 已經知道，火球最亮的部分，其溫度為(wei) 零下270攝氏度。但是新的問題又產(chan) 生了，兩(liang) 位工程師‘看到’的火球是均勻的。2006年，人類卻發現火球是不均勻的。”

不均勻的“宇宙的種子”可以生長為(wei) 宇宙的當前結構嗎？科學家把相關(guan) 數據導入計算機中，根據萬(wan) 有引力定律，對宇宙膨脹進行模擬。從(cong) 實際統計上發現，計算機給出的模型和如今的宇宙結構相差無幾。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。

宇宙到哪裏去？

宇宙大爆炸創造了地球上的基本元素。

“高溫情況下，質子、中子、電子無法穩定結合，從(cong) 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(ge) 質子抓住一個(ge) 電子，形成氫元素；兩(liang) 個(ge) 質子、兩(liang) 個(ge) 中子、兩(liang) 個(ge) 電子形成氦元素。前者在宇宙中占比77%，後者占比23%。再看太陽，氫元素占到73.46%，氦元素占到24.85%。”

宇宙中其他星體(ti) 的物質成分均為(wei) 77%的氫元素和23%的氦元素，為(wei) 什麽(me) 太陽的氫元素卻比77%的比例要少呢？“因為(wei) 太陽在不停地燃燒氫元素變成氦元素。我們(men) 可以算下去，剩下的氫元素還能燃燒多少年？結果顯示，50億(yi) 年以後，太陽便不複存在。”武向平介紹。

眾(zhong) 所周知，化學元素周期表中有118種元素，除氫、氦和人造元素以外，其他元素又是從(cong) 哪裏來的呢？天文學家發現，其他元素來自恒星核合成。恒星誕生之後，核心就會(hui) 持續不斷地進行核聚變，質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。”武向平解釋，恒星有3種命運結局：像太陽一般質量的恒星終結於(yu) 白矮星，比太陽質量大的恒星可能通過超新星爆炸變成中子星，質量更大的恒星爆炸後就會(hui) 變為(wei) 黑洞。

在恒星死亡的過程中，恒星物質急速向內(nei) 坍縮，不斷擠壓撞擊核心，進而產(chan) 生超強能量，這些能量足以讓死亡的恒星內(nei) 核重新“燃燒起來”，讓鐵元素繼續聚變下去。然後幾乎所有的元素都通過超新星爆發的方式釋放出來，拋散到浩瀚的星際空間。

“地球主要的質量是由鐵組成的，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，恰逢太陽係形成，被太陽係行星匯集利用，地球在形成之初曾捕獲到大量鐵元素。”武向平說，地球上的稀有元素並不來自本身，而是來自中子星相撞。

主宰宇宙命運的暗物質是什麽(me) ？

宇宙會(hui) 永遠膨脹下去，還是膨脹後再收縮回來呢？有什麽(me) 辦法可以停止宇宙膨脹呢？

天文學家認為(wei) ，如果我們(men) 在宇宙中塞進一些物質，這些物質產(chan) 生的引力可以把宇宙拉回來。那麽(me) ，天上的星星加起來是否能達到停止膨脹的密度呢？“天文學家的看家本領就是數星星，但遺憾的是，所有星星加起來所貢獻的密度僅(jin) 僅(jin) 達到了讓宇宙停止膨脹值的千分之五，幾乎差了一千倍。”武向平感歎。

但是，我們(men) 看到的物質能代表真實的全部嗎？90年前，一位科學家分別通過光學和運動的方法測試一星係團，其中有幾百顆星星，發現後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。

“如今，我們(men) 可以測出，宇宙中的所有物質中，發光物質占比16%，暗物質占比84%。發光物質中隻有20%是可見光。”武向平介紹，“遺憾的是，兩(liang) 者加起來的質量僅(jin) 僅(jin) 達到讓宇宙停止膨脹所需質量的27%。因此，宇宙將永遠地膨脹下去，各個(ge) 恒星之間距離會(hui) 越來越遠，溫度越來越低。”

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位天文學家用測量超新星的辦法測試到，宇宙膨脹會(hui) 越來越快。但是，宇宙為(wei) 什麽(me) 會(hui) 加速膨脹，依然是個(ge) 謎。

武向平表示，雖然現代宇宙學已經取得了巨大的成功，但也留給我們(men) 更多的困惑：主宰宇宙命運的暗物質是什麽(me) ？導致宇宙加速膨脹的神秘能量是什麽(me) ？也許，籠罩在今天宇宙學上空的兩(liang) 朵烏(wu) 雲(yun) 正暗示著物理學甚至整個(ge) 自然科學整個(ge) 理論體(ti) 係正處在革命的前夜，一場大變局即將來臨(lin) 。

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