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科学与人文讲座2022年第4期报道:寻找看不见的宇宙

  • 图文/孙梦婷
  • 创建时间: 2022-04-25
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2022年4月8日下午,中国科学院大学人文学院2022年度第4期“科学与人文讲座”在玉泉路校区人文楼教一阶举行。中国科学院国家天文台黎耕副研究员应邀担任本次主讲,题为“寻找看不见的宇宙”,中国科学院大学人文学院历史系苏湛副教授主持本次讲座。

首先,黎耕老师解释了“看不见的宇宙”。因为人类肉眼能接收到的可见光频率仅仅是电磁波中极小一段,可以看见的天文现象是非常有限的,现代天文学观测主要依靠射电望远镜来观测人类肉眼所看不见的波段。即使是这样,人们现在对宇宙的认知还十分有限,95%以上的宇宙都是未知的,等待人类去探寻。目前,大气层以外事物都是天文学的研究对象。

他指出,天文学反映了人类对于宇宙的认识,也就是所谓的宇宙观。在哥白尼提出日心说之前,当时的主流观点认为:地球处于宇宙中心,太阳和其他行星都围绕地球运转。到了十六世纪,这种观点被修正为:太阳处于宇宙中心,地球和其他行星都围绕着太阳运转。再往后,人类的宇宙观不断被修正。黎耕老师以梵高的一幅油画 “The Starry Night”为例说明,梵高之所以把天空画成一种螺旋的形状,是因为,在梵高的时代,人们借助当时最先进的望远镜可以看到宇宙中有很多旋涡状结构,后来康德把它们称为宇宙岛。梵高创作这幅画时,将这种星系结构的想象画到了夜空里。

黎耕老师的讲课内容

在这里,黎耕老师认为天文学的意义就在于,在人类文明的每一历史阶段,人类对宇宙的认识,决定了这个时期一切知识的天花板。虽然人类已经进入太空,现代刚上幼儿园的小朋友也能够轻易认出地球的照片,但在这之前,关于地球到底是什么形状,我们只能以旁证的方式来证明。只有当人类迈向太空再回望地球的时候,我们才有机会证实或者证伪从古到今对于地球形状的诸多猜想。哲学三问“我是谁?”“从哪里来?”“到哪里去?”,其实都与天文学密切相关,彻底回答此三问,恐怕只有依靠天文学的进步。转换成当前天文学的三大重要问题,就是:两暗、一黑、三起源。具体的说,两暗指“暗物质、暗能量”,一黑指“黑洞”,三起源指“宇宙起源、天体起源、生命起源”,目前天文学还都没有办法解决。

其次,黎耕老师讲述了天文学发展的历程。天文学最开始是几何(Geometrical)宇宙,中国古代天文学和古希腊的天文学都属于此类。它通过构建几何模型,希望预测下一个天体应该在什么位置。由此来看,天文astronomy和占星astrology非常相似,都是通过观测,然后预测这个天体运行规律。不同之处在于,占星会有事应,与地上的事件相关联。在几何宇宙时代,人们主要运用几何、代数知识来预测天体的位置。

到了伽利略时期,进入到了观测(Observational)时代。在1609年,伽利略发明了一种新的工具——望远镜,自此之后,整个宇宙都不一样了。宇宙天体远远多于人们的想象,有各种各样稀奇古怪的天体被发现,整个天文学进入了观测时代。其实在肉眼时代也有观测,没有第谷的观测数据的积累就没有科学革命,但是有了望远镜之后,现代意义上的天文观测和过去的天文观测有了本质上的不同。

到了牛顿时期,人们对整个宇宙的认识进入到了动力学(Dynamical)宇宙,可以精确地计算几乎所有天体的位置。当然它的诞生来源于人们对天体运行的一些规律有了更精确的计算,同时也产生了更多的新理论。

后面还会有物理(Physical)宇宙学。实际上,当前就处于物理宇宙学阶段,例如引力波现象。当两个重量级非常大的天体,在碰撞过程中可能让时空发生波动,产生引力波,这是爱因斯坦在广义相对论中提到的。这种波动非常细微,要探测这样的波动难度极大,但人类已经成功的观测到了引力波。无论如何,引力波的成功观测标志着现在天文学已经进入到了物理宇宙学阶段。

黎耕老师提到,库恩在《科学革命的结构》中将科学的发展描绘为一个范式取代另一个范式的过程,但许多科学家并不赞同库恩的观点,科学的发展并不是像登台阶式的一个范式取代另一个范式。他指出,库恩忽略了科学共同体内部中很多细微的发现,科学革命持续的时间远远比人们想象中的要长。如果用计算机进行数值模拟,将步长放到足够小,科学的发展就像是一条连续的曲线,而不是阶梯式上升。尤其是二十世纪以后,科学发展规律具有明显的类似特点。十六、十七世纪是否也是如此?他认为,存在的一种可能性是,人们对于当时的情况了解得不够深入,毕竟当时留存下来的资料很少,当事人也都已经不在了,今人不知道他们所作的每一个微小的积累,以至于从大历史、长时段的角度回顾的时候,就好像当时经历了革命性的发展,突然就产生了革命性的突破。

黎耕老师还认为,至少在天文学上,完全是一种渐进式的变化。天文学的每一次革命,其变化都是极其细微的,相当于每个人都往前推动了一点点,最后当所有这些进步积累到一起的时候,就会发现整个的科学范式发生了巨大的转变。

例如,哥白尼提出了日心说,但日心说并不是他意图宣扬的理论。哥白尼将太阳放在宇宙中心,发现计算简便多了,于是认为太阳在宇宙中心可能更符合上帝的意愿。由此可见,哥白尼没有完成一次完整的科学革命。

再如,赫歇尔发现天王星之后,用轨道方程预测它的运行轨道,然而,初期还十分准确,但过了几年就开始不准,甚至有很大的误差。天文学界很长时间都不能解释这个现象。最后,英国的亚当斯和法国的勒维耶认为在天王星之外可能有一颗行星对它进行摄动。他们都推算出了海王星的行星位置,只不过,勒维耶委托伽勒进行了观测,最后发现了海王星,而亚当斯没有进行观测,痛失海王星的发现权。

再例如,当时天文学界的另一个难题:水星近日点进动问题。1859年9月,勒维耶提出水星轨道内侧还有一颗行星摄动,将其命名为“祝融星(Vulcan)”,并计算其公转轨道不到20天,预测其会在1876年、1877年3月和1882年10月再次经过日面。然而数十个天文台始终什么都没有找到。直到1916年,爱因斯坦在广义相对论中提出时空弯曲理论,解释水星近日点东移动并不是周围有行星对它进行摄动,而是太阳的引力场使得周围的时空发生变形,使得人们看到水星水平方向有43秒的误差。

黎耕老师总结说,从牛顿到爱因斯坦的科学看似绕了一个圈,其实,牛顿力学与相对论并不矛盾。牛顿力学可以视为相对论理论中的特例,在地球的这个环境下,牛顿力学已经够了,当人们进入到宇宙空间,牛顿力学就远远不够。

黎老师讲座现场

再次,黎耕老师介绍了当前如何认识宇宙。例如,现有最遥远的探测器——旅行者1号,经历的半个世纪的飞行,已经到了140多个天文单位以外——一个天文单位相当于地球到太阳的距离,它穿过了日球层顶,达到了太阳系最边界的位置。要完全摆脱太阳引力的影响,还需要穿越10万个天文单位。

太阳活动对地球的影响极其巨大,以卡灵顿事件为例。1959年,在北纬十几度就看到了极光,夜晚亮如白昼,同时,卡林顿观测到,在太阳黑子上出现两个双肾形光斑,后来调取地磁观测记录发现,当时的地磁也发生了非常显著的变化。这一事件导致人们开始思考,地球上的极光、磁场的移动与太阳活动之间存在什么关系,从而导致了一个新的天文学科分支的诞生——太阳物理学。随着研究的深入,人们意识到,地球上的极光和电磁场的变化是伴随着太阳活动的变化而变化的,这同时意味着,太阳上的变化会产生许多看不见、摸不着的变化。太阳物理学认为太阳黑子的活动周期是11年,科学家普遍认为太阳还存在更长的周期性变化。

黎耕老师还指出,在太阳系之外,还有很多很多其他的天体。太阳只是银河系中一颗非常普通的恒星,这样的恒星在银河系中差不多有四千亿颗。银河系中心是一个超大质量黑洞,大约是太阳质量的400万倍,整个银河系绕着中间这个超大质量黑洞旋转。在银河系里,既然有几千亿颗像太阳这样的恒星,一个跟太阳差不多大的恒星,又恰好有几颗行星,其中有一颗行星与地球差不多大,离恒星的距离也差不多,那么这颗行星有可能像地球一样宜居。为此目的展开的开普勒计划,迄今已经找到了4000多个候选体。目前要确认是否宜居固然很难,另一个问题是怎样到这颗可能宜居的星球去。通过宇宙黑的地方是什么的问题,黎耕老师向大家介绍科学家通过哈勃望远镜的深空观测,发现之前认为全黑的地方,其实有许多亮点,而每一个亮点都是类似银河系这样的星系。通过哈勃望远镜,还可以看到宇宙中至少有上万个银河系这样的星系,而地球只是银河系的几千亿颗类似太阳系统之一中一颗非常普通的行星,足见宇宙天体之间是多么的遥远。如果用旅行者1号进行宇宙航行,人类可能永远也到达不了下一个地球。

然后,黎耕老师述及天文学界关注的前沿问题。他指出起源问题是目前人类共同关注的问题,也是科学界的前沿问题。这个问题不是仅靠一两代人就能解决的,它是一个终极性问题。就像人类所有的科学研究,一定会有终极目标,在发现这种终极目标之后,会令人振奋。以2021年NASA的帕克太阳探测器进入太阳大气事件为例,这是一个全新的壮举,它代表着人类的探测器进入到了一个完全没有过的境地。根据既有的认知案例来看,这样的壮举背后一定会有新的发现,也一定会颠覆很多旧有认知,这也应当是基础研究最大的魅力。

即使目前科学家对宇宙已经观测了这么多,人们了解的依然只是宇宙一角。黎耕老师以人类对类星体的认识举例说明这一问题。类星体最开始是在射电波段被发现,后来在可见光波段也有发现,经过研究知道,类星体距离地球比银河系要远得多。这么遥远的距离,却比银河系要更亮,让人不得不考虑它是由什么能量产生的。宇宙物理学家目前解释类星体的能量来源于引力。如果这种认识无误,在宇宙中,人类的终极能源实际上是引力。也正是有了对类星体的观测和认识,人们才意识到黑洞这样的天体是真实存在的。类星体这样的天体完全颠覆了人们对宇宙的认知。它对于所谓的银河系,所谓的恒星,是一个异常存在。

黎耕老师还介绍了黑洞研究。根据估计,在宇宙中的黑洞可能有上亿个,目前能观测到的大约有100个左右,仅为一些恒星级小黑洞和超大质量黑洞,中等质量黑洞还没有被发现。超大质量黑洞一般是在星系的中心,比如说银河系中心是个430万倍太阳质量的黑洞。他向大家展示了视界望远镜(EHT)合作组织于2019年发布的第一张黑洞图像,这次“拍摄”目标是5500万光年外的M87超大质量黑洞。不过,黑洞内部是什么还有待进一步研究。他向大家解释天文是时间与空间的统一,也许未来可以利用黑洞,实现星际穿越或者进行时间的穿越。

黎老师与同学讨论

最后,黎耕老师概述了国内外的望远镜基本情况,并与同学们就一些大家关心的天文学问题进行探讨。本次讲座在热烈的掌声中圆满结束。

【图文/孙梦婷】

【主讲人简介】

黎耕,理学博士,中国科学院国家天文台副研究员、中国科学院大学天文学院副教授,毕业于南京大学天文系、中国科学院自然科学史研究所,主要从事天文学史的研究和科普工作。现任中国科学院青年创新促进会秘书长、中国科学技术史学会理事等职。