宇宙新發現及其啟示

07-03

【主持人】星光燦爛的宇宙對人類來說，一直是充滿魅力的遐想和不懈探索的神秘地方。近十幾年來，科學家們更是在廣闊的宇宙中，發現了無數奇妙的現象：包括宇宙加速膨脹，大量的伽馬射線爆發(Gamma Ray Burst)，超新星爆發(Supernova)，眾多星系或星系團的劇烈碰撞、重組以及新星系的誕生等等。許多發現甚至對傳統的萬有引力理論和宇宙觀構成了嚴重挑戰。這段時間裡的重大天文發現比過去任何時期都要多得多。因此科學家們把這段時間稱為天文學的「黃金時期」。在接下來王培的採訪報道中，將逐一介紹這些新發現，以及這些發現對我們的影響和啟示。【旁白】坐落在美國馬里蘭州巴爾的摩市的美國太空望遠鏡科學研究院，就是著名的哈勃太空望遠鏡的老家。這裡專門從事有關哈勃太空望遠鏡的計劃安排調度和數據信息處理。1990年，這架耗資15億美元，迄今為止人類送往太空的最大的望遠鏡被送入預定軌道，開闢了地球上第一個軌道天文台。

宇宙物理學家馬里奧．利維奧博士：哈勃的視野非常小，因此它看什麼東西的時候就很專註。它看哪裡，是由全世界的宇宙學家們決定的。他們提供申請報告，建議哈勃應該看什麼，我們在這裡彙集這些報告，由各個專業的宇宙學專家決定哈勃到底應該觀測什麼。每年我們大概收到上千的申請報告，只有大約六分之一被選中。那些就是哈勃觀測的目標。

【旁白】雖然相對於廣袤的宇宙來言，只有一隻眼睛的哈勃所能捕捉到的信息顯得微不足道。但到目前為止，它已經通過向地面上的天文學家們發送無線電波的方式提供了無數極有價值的圖片。哈勃發回的觀測數據，使科學家們對宇宙的研究不斷取得突破性的進展。2006年7月，利維奧博士 (Mario Livio)從哈勃16年來的赫赫功績中，精心篩選出10項最突出的貢獻。他表示，哈勃不僅為天文學家提供了前所未有的細節，還讓全世界的人在家中也能一睹宇宙的奇景。歷史上，很少有望遠鏡能夠像哈勃望遠鏡這樣，對天文學研究產生如此深遠的影響。

宇宙物理學家馬里奧．利維奧博士：我應該說哈勃發現了許多東西，有超過6千篇科學論文是在哈勃提供的數據的基礎上寫出來的。如果我要從中選出其中最激動人心的發現，是發現了我們稱之為「暗能量」的東西。從1920年代開始，我們就知道我們的宇宙在膨脹，但我們認為這種膨脹會逐漸減慢下來，因為引力的緣故。就像如果你仍什麼東西上去，引力會使上去的速度降低，是不是? 但從1998年開始，我們發現宇宙的膨脹不僅沒有減慢，反而在加速。是被一種我們叫做「暗能量」的東西推動的。而宇宙中四分之三的能量，都是以這種暗能量的形式存在的，但我們卻不知道它是什麼。這是哈勃發現的最激動人心的現象。

【旁白】利維奧博士介紹說，科學家們從比較這兩張哈勃照片中，發現了宇宙的加速膨脹和暗能量的存在。

宇宙物理學家馬里奧．利維奧博士：我們不知道它是什麼，但顯然它散布在空間的各個方面，充滿整個空間。你知道引力通常將物質吸入，兩個物質互相吸引。但暗能量有一種擴展的力量，因此將宇宙加速推動。比如說我把鑰匙拿出來，像這樣往上扔。引力使它向上的速度減慢，又把它吸回來了。但這種暗能量，則會把扔上去的鑰匙向上加速的推。這就是暗能量現在對整個宇宙起到的作用。因此整個宇宙的膨脹在加速。這就是我們所看到的。

【旁白】對於暗能量的本質，目前科學家們仍舊一無所知。但最近的發現顯示，宇宙中四分之三的能量來自於暗能量，而這個人們現在還看不見的能量，卻主宰了宇宙的未來。

宇宙物理學家馬里奧．利維奧博士：這個發現絕對是對今天物理學家的一個最大的挑戰。要搞清楚這種暗能量是什麼。全世界的物理學家都在撓頭，試圖發現這個暗能量到底是什麼。

【旁白】宇宙加速膨脹和暗能量的發現，對傳統的宇宙大爆炸理論，構成了巨大的挑戰。許多物理學家都在重新審視現在流行的宇宙形成和演化理論。1998年以來，普林斯頓大學的施泰恩加德教授(Paul Steinhardt)和英國劍橋大學的圖爾克教授(Neil Turok)提出了循環宇宙模型，認為宇宙一直經歷著從生長到消亡的「生死輪迴」過程。目前被人們普遍接受的140億年前的宇宙大爆炸，並非宇宙誕生的絕對起點，那只是宇宙的一次新生。

普林斯頓大學施泰恩加德教授：標準的大爆炸理論設想宇宙中的所有物質，全部的物體、射線、和空間本身，都是從大約130億年前開始的。突然從什麼都沒有變成有東西了。這是理論的最初設想。而循環宇宙理論認為，或許存在一個好像大爆炸的事件發生了，但那不是空間和時間的開始，也不是物質的起源。而是一次製造了大量物質和射線，構成了我們今天看到的宇宙。而這種事件是有規律的階段性發生的。不只發生了一次，而是有規律的階段性發生的。之前也發生過，之後也會發生，大約每千億年發生一次。我們過去認識的大爆炸只是最近的一次。

【旁白】宇宙大爆炸理論是俄裔美國科學家伽莫夫在1948年提出來的。這個理論認為，宇宙開始是個高溫緻密的火球，它不斷地向各個方向迅速膨脹。當溫度和密度降低到一定程度，這個火球發生了劇烈的核聚變反應。隨著溫度和密度的降低，宇宙早期存在的微粒在引力作用下不斷聚集，最後逐漸形成今天宇宙中的各種天體。

普林斯頓大學施泰恩加德教授：這個理論始終有疑問，如果向回追溯，按照愛因斯坦的物質動理論，你會遇到一個問題，就是宇宙的溫度和密度似乎是無限的。物理學家把這叫做「奇點」(Singularity)。是錯誤的，是一個數學上的錯誤。這是愛因斯坦理論的一個問題，它預言在創始時，物質的密度和溫度是無限的。所以我們相信之後發生的膨脹、加速等，但向回追溯時總是有一個疑問，那是空間和時間的起點嗎? 這是愛因斯坦的理論想告訴我們的嗎? 是否可能有別的東西? 我們知道愛因斯坦理論不足夠回答所有這些問題。我們需要一個新的引力理論，我們現在還沒有這樣一個引力理論。這就是我們最初的設想，我們特別從一個現在被理論學家公認為最有可能取代愛因斯坦理論的設想，就是「弦論」。就是從這些設想出發，我們認為可能大爆炸不是開始，而是在多重空間範圍內兩個世界的碰撞造成的。

【旁白】施泰恩加德介紹說，弦論的基本內容是，宇宙物質已知是由各種極小粒子組成。科學家假設這些粒子是極小的弦，也就是曲線，然後據此描述基本物理定律。弦論還涉及了多維空間的問題。認為人類所在的宇宙之外還有另外一個無限大的平行宇宙。這兩個宇宙在多維空間中互相區分開來。而一些科學家認為，基於某些數學上的原因，弦論必須有二十六維空間才行。到目前為止，弦論能夠完美解釋其他的基本理論無法解釋的物理現象，被認為具有廣闊的發展前景。

普林斯頓大學斯坦因哈特教授：暗能量的發現，使我們驚訝的發現宇宙在加速膨脹。你當然可以人為的將暗能量放入大爆炸模型，假設還存在另一種物質。但如果這麼做，顯得非常人造。勉強將兩樣東西堆砌在一起。雙方並不融合，沒有理由解釋為什麼我們需要暗能量，它為什麼在宇宙中扮演主要角色。我們現在想，既然我們發現了暗能量，或許它真的在起中心作用，或許我們需要從新考慮整個的故事。

【旁白】長期以來，科學界一直都在試圖解釋的一個問題是為什麼自然界中的那麼多常量的值都是那麼正好，剛好讓生命存在。如果真空中的能量太大，那麼宇宙就會在大爆炸後立刻迅速膨脹並撐破，就像吹爆的氣球，那麼生命就不可能在百億年後存在了。科學界甚至出現了「人擇原理」，即宇宙常量恰當地選擇了人類生存，而人類也恰好選擇了在這樣一個常量條件下出現，而人類又回頭研究著為什麼宇宙常量大小會剛好讓人類生存。

美國布魯克海文國家實驗室(BNL) 莫海定博士：2003年的時候有一個美國科學院院士，他是斯坦福大學教授，叫做蘇士侃(Leonard Susskind)。他提出我們現在的宇宙理論肯定還忽略了什麼東西，要按照我們的理論宇宙要形成這個樣子，需要一種外部力量的干預。他在文章中用的是「上帝的干預」。就是一種未知力量的干預。現在有很多我們不能解釋的是為什麼地球是現在這個樣子? 因為地球這個條件對我們人產生非常重要。物理常數其它的條件稍微一變，根本就不可能有這樣的環境。

【主持人】近年來天文觀測的結果已經使人們對宇宙的認識發生了很大的變化。為了適應新的發現，新的理論也應運而出，因而對宇宙未來的推測也大不相同。科學家們普遍相信，宇宙天體的生成、衰敗和運行，是有其規律的。長期以來，人們都在不懈的思考、找尋和推測這些運作規律究竟是什麼，從而能夠預測未來宇宙的狀態，以及所需要的時間。休息一下之後，我們將繼續給大家介紹目前科學界的研究方向和手段，以及中國傳統科學對宇宙規律的認識和研究方法。歡迎你繼續收看。

【旁白】 2005年2月18日，美國宇航局宣布，天文學家觀測到迄今來自太陽系外最為明亮的伽馬射線爆發現象。宇航局在一份聲明中說，此次伽馬射線爆發來自於銀河系人馬星座一顆距地球５萬光年的中子星爆發。在十分之一秒的時間裡釋放出的巨大能量，比太陽在１５萬年內釋放的總能量還要多。爆發發出的大量Ｘ射線和伽馬射線十分強烈，以致在到達月球時發生彈射，改變了路線。大量伽馬射線還干擾到了地球大氣層的頂端。

馬里蘭大學研究員瑞秋奧斯汀博士(Osten) ：這些伽馬射線爆發，我們知道它們存在，我們已經觀測有40年了。但是我們不知道它是什麼。因此科學家要研究出新觀點，新的可能性來解釋伽馬射線爆發是怎麼回事。許多理論需要證明，但很多都證明失敗。因此科學家要研究出新的解釋來讓我們能了解我們所看到的現象。我們知道看到了東西，但卻無法了解是怎麼回事。

【旁白】雖然伽馬射線爆發發生的具體原因目前科學家們還不清楚，但是過去十幾年來的觀測表明，伽馬射線爆發均勻而又隨機的分布在宇宙空間中，爆發頻率是每天一次，而現在觀測到的超新星爆發頻率也為大約每天一次。由於伽馬射線爆發均勻而又隨機分布，大多數爆發我們觀測不到。科學家們估計伽馬射線爆發每天發生的實際數目約為500次。頻繁的星系和星系團簇的碰撞、重組，一個接一個星系的誕生或毀滅，天文觀測正在為人類見證著一個變化中的宇宙。

馬里蘭大學研究員瑞秋奧斯汀博士(Osten) ：想想看挺有意思的，許多人看到星空時感到很祥和寧靜，但仔細想想，那些我們能看到的星星，它們大多少或許正在進行迂j烈的爆發，更加劇烈的爆炸，超新星在我們的銀河系爆發，伽馬射線也在爆發等等。實際上並不是一個祥和寧靜的宇宙。

【旁白】除了頻繁的超新星爆發和伽馬射線爆發，科學家們還在碰撞星系和其它星系中發現了大量星體的誕生或毀滅。甚至在我們銀河系內和與我們近臨的星系，也發現了大量新星迅猛誕生(Starburst)。

美國布魯克海文國家實驗室(BNL) 莫海定博士：象星體星系演化，科學家原來以為已經了解的很清楚了，認為像我們銀河系這麼大的星系，是有一些小星系碰撞融合，經過漫長時間聚合成我們銀河系這麼大的星系。按照這種理論銀河系這麼大的星系形成需要幾十億年的時間。但是在2006年NASA的科學家就觀測到一個很大的星系，質量是我們銀河系的8 倍還大，這個星系形成是宇宙大爆炸之後的8億年時間，這個就使原來的理論根本就沒法解釋了。還有其它一些比如銀河系附近，科學家在2005年發現幾乎在同時形成了幾十個星系，類似的星系。它們的質量啊、年齡啊、還有組成啊都很相似。這是科學家也沒有辦法解釋的，因為星系形成應該是很少的。應該是宇宙產生的早期就形成這樣的星系，但是現在就發現在銀河系附近就形成這種星系。科學家覺得很難解釋。

【旁白】2006年10月31日，美國航天局宣布，將在2008年下半年再次對哈勃太空望遠鏡進行維修。雖然這項花費相當昂貴而且失敗率高的項目之前曾遭受各種反對意見。但研究太空宇宙的科學家們卻認為這是進行科學研究所必須要付出的代價。

宇宙物理學家馬里奧．利維奧博士：在2008年5月，會再有一次對哈勃太空望遠鏡的維修。這次維修會安裝2個新的儀器，一個是新的照像機，可以讓我們看到更深的宇宙空間，看到更廣的天空範圍，這會讓我們看到距離我們少於10億光年的宇宙，現在我們宇宙的是137億年的，我們看到的是5億光年的星系。這是一件事。第二件是我們要安裝一個光譜繪圖儀，它會區分光，像彩虹一樣。它可以讓我們研究星系之間物質的結構。這是2008年要做的。然後到2013年，我們研究院會發射下一代的太空望遠鏡，叫做詹母士韋伯望遠鏡，那是非常大的望遠鏡，哈勃的直徑是2.4米，那個望遠鏡會是6米半。它會距離地球一百萬英里，它會看到熱射線，可以讓我們看到更深的宇宙空間，看到宇宙最早的星系，那會是在2013年發射。

【旁白】除了哈勃，美國、歐洲和日本等國近年來也在相繼發射和研製了紅外太空望遠鏡、「克羅特」追星望遠鏡、「光譜-紫外線」望遠鏡以及「光譜-射電天文」望遠鏡等。

美國布魯克海文國家實驗室(BNL) 莫海定博士：現在的天文學研究主要是望遠鏡，一個是地面望遠鏡，一個是發到太空上的望遠鏡，實驗手段主要是這兩種。另外一個是理論研究，就是通過物理理論然後加上計算機模擬。然後通過初始條件，加上一個方程，然後運行。看看得出來什麼樣的結果。這種研究方法也是很有局限的，因為我們現在宇宙學研究，有很多東西觀察不到。像暗物質、暗能量，也就是大多少東西都觀察不到。

【旁白】這是2006年在亞太地區轟動一時的「韓流」代表作「大長今」中的一個片段。劇中醫學博士申教授所講的中醫理論，正是中國傳統文化科學中最具代表性的思維方式。這就是所謂「天人感應」，「天人合一」思想的根本出發點。

美國布魯克海文國家實驗室(BNL) 莫海定博士：中國人歷來認為天人合一。宇宙就是一個整體一樣。就是宇宙天象變化，你可以對應到人間的變化。從天象變化可以預測到人間的變化。這在歷史書上可以找到很多例證。比如司馬遷寫的《天官書》，李淳風、袁天罡寫的《乙巳占》。他們對這些都有很好的總結。比如象超新星就屬於有兵亂啊這些不好的天災現象。

【旁白】在中國歷史上，由國家設立天文台持續有二千多年，天文觀測一直是政府的一個重要部門。儒家經典《周禮》的官制中就有這方面的記載。無論朝代更迭還是外族統治，但負責觀測天象的官職卻沒有變化。中國古代不少著名的科學家如張衡，沈括，郭守敬等都曾經負責過天象觀測。《易經》中說：「觀乎天文，以察時變，觀乎人文，以化成天下。」

美國布魯克海文國家實驗室(BNL) 莫海定博士：在微觀領域，像量子力學也好，它認為簡單來說，有兩個粒子是屬於一個系統。如果你把它分開了，有一個粒子在我這，一個粒子有幾千光年遙遠，就是非常遙遠。你對任何一個粒子擾動，瞬間那個粒子就能知道，就能有所反應。它不需要像現在認為的，擾動以後等到很久信號傳遞到那邊，那邊才會知道。現在量子力學發現，這種擾動是瞬時的。這邊一動那邊就知道了。根本不需要時間上有差異。

【旁白】20世紀90年代，美國天文學家林德 (Linde)提出了「分形宇宙(Fractal Universe)模型」，這種理論認為宇宙在不同的尺度上，有著驚人的重複性結構。如原子和銀河系的類比，原子和中子星的類比，它們都在各個方面 --比如半徑、周期、振動等--展現出了十分相似的地方。這種理論還認為，宇宙中的任何一個原子，也包含了整個宇宙的某些信息，正如現在生物學中發現的，一個人體細胞中，就包含了全部人體的基因信息。中國有一句古話：「一滴水可以折射出三千大千世界。」。宇宙、人體、時空、生命，現代科學的新發現，似乎正逐步驗證角什窷□峎儩□雲澈銩Q和觀點。

【主持人】「觀其著者以知微，察其顯者而見隱，此格物致知之要道也。不研其情，不索其破，梏於耳目而止，非知天人者矣。」這是明朝開國宰相和著名預言家劉伯溫在他最有代表性的一部寓言兼議論散文集《郁離子》中《論物理》中的一段話。它體現了中國古老科學對事物的宏觀與微觀，顯現出的和其隱含在後面的現象，需要全面認識了解的指導思想。這種思維方式恐怕對我們當今探索宇宙規律和人類社會變化都是一個重要的啟示。