宇宙中最不可思議的就是，宇宙竟然是可以被理解的

07-08

每個人的心裡都住著一個宇宙

當你仰望星空時是否會問：

宇宙到底有多大？物質是怎麼來的？

引力波、暗物質、暗能量都是怎麼回事？

天文學是讓我們意識到人類的卑微

又意識到人類的偉大

我們本身就是宇宙的產物

卻能夠用一公斤重的大腦裝下整個宇宙

去思考甚至去理解宇宙是怎麼一回事

這是非常不簡單的一件事情

探索宇宙起源，解讀全新的宇宙

蘇萌

銀河系巨型氣泡結構發現人

高能天體物理學最高獎Rossi Prize最年輕獲得者

大家有沒有過這樣的體驗，走出城市到一個遠離城市燈光污染的地方抬頭仰望星空。

其實，仰望星空對每一個人來說都是一件不簡單的事情。幾千年以來，人類仰望星空感受到的是一種震撼、一種神秘。其實我們今天生活在一個非常不簡單的時代，因為從古希臘開始人們去讚美星空、去思考星空。今天由於科學技術的發展,我們能夠真真正正以科學的手段去回答一些最基本的問題了。比如說看到星空,大家會問什麼樣的問題呢？

很多人會問我：「宇宙是由什麼組成的？我們從哪裡來？到哪裡去？到底是什麼樣的規律在統治著宇宙中千千萬萬的事物和物體？」如果50年前我告訴大家，人類已經了解宇宙的來龍去脈,可以很自信地告訴大家宇宙是從哪裡來到哪裡去的，那大家會認為我是個偽科學家。

從地心說、日心說到第一台望遠鏡誕生

但是，在過去二三十年技術發展的情況下,我們真真正正地去回答了一些最基本的問題。同時，另一方面在回答問題的過程中,我們又發現了另一些未知的東西打開了對宇宙全新的認識。

第一個問題：我想問問大家, 從古希臘、古羅馬時期, 人們在觀察星空的時候會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，太陽東升西落，月亮、行星都像是在圍繞著我們地球在運動，所以很自然認可地心說（宇宙和世界是圍繞著我們人類存在的）。

地心說統治了人類很長時間，一直到文藝復興時期哥白尼開始意識到，有一些更仔細的觀測數據是沒有辦法用地球在世界中心的說法去解釋的。所以，他提出了日心說，第一次改變人類作為宇宙中心這樣一個觀念和意識。

1609年伽利略發明瞭望遠鏡，望遠鏡徹底打開了人類認識宇宙的一個方式。我們除了用肉眼去觀察星空，我們可以看到更遠的、更細節的、更豐富的一些宇宙結構和現象。

今天不僅是在光學可見的波段，我們從射電波段（最長的波段叫射電波段）、微波、光學、紅外、紫外、X線、伽馬線整個的電磁波段，人類的技術發展都已經實現了用不同種類的望遠鏡、巨大的射電天線、空間中發射的幾十顆天文學衛星都試圖去回答越來越多的宇宙最基本的問題。

我們並不知道宇宙有大多

在回答這些問題的過程中，我們發現了很多非常有趣的現象。首先，宇宙有多大？我們今天不知道宇宙有多大，因為我們能夠看到的只是所謂的可觀測的宇宙。宇宙從誕生到今天經過了137.9億年的時間。光速是有限的，光能夠跑的距離我們把它叫做可觀測宇宙，今天我們能夠原則上介紹的信號就是這麼多。

那這個宇宙的直徑有多大呢？大概是1000億光年。在這個範圍內，我們發現了太陽系在銀河系裡面，銀河系大概由幾千億顆恆星組成。在這個可觀測宇宙裡面有幾千億個星系組成。

什麼概念呢？如果說天上每一個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有宇宙中星星的數量多。所以，大家可以想像這是一個多麼龐大和震撼的一個客體——宇宙！

我們並不在銀河系的中心

再往下，我們具體來看物質在宇宙中是怎麼分布的。這張圖展示的是：今天用現代的超級計算模擬宇宙演化的過程，發現宇宙的物質分布不是均勻的，是有這種絮狀的集團性的結構（主要是由暗物質組成），這些絲絲縷縷的聯繫的中心由於引力的作用會有宇宙物質的聚集，在這些物質的聚集的範圍內會有產生這種星系團的結構。也就是今天我們宇宙中在引力的作用下所能形成最大獨立的一個結構叫做星系團。成千上萬顆星系組成了這麼一個集團，我們銀河系所在的星系團叫做室女座星系團。大概是長這麼一個樣子。

再往下分，我們銀河系又在本星系群裡面，也就是銀河系和旁邊的一個叫做仙女座星系這兩個主要的大星系周圍還有幾十個小的星系，我們叫矮星系組成的，我們在本星系群裡面。

雖然我們在銀河系裡面，仰望星空時我會看到所謂的銀河投影出一個帶狀的結構，我們認為銀河系是一個懸臂的、盤狀的星系，太陽系離銀河系中心大概有20萬光年，我們並不是在銀河系中心，所以太陽只是一個非常普通的星系裡面的一個非常普通的恆星。我們地球是在非常普通的恆星旁邊一個非常普通的行星。天文學發展以來,我們對銀河系最基本的認識就是這樣的。

從未被人看到過的銀河氣泡

很有意思的是我們做了一個研究，通過美國NASA的費米伽馬射線望遠鏡進行一個伽馬射線波段的銀河系觀測，發現銀河系除了我們肉眼看到的一個帶狀的、盤狀的結構之外，有一對非常巨大的對稱氣泡狀態的結構，從來沒有被人看到過。只有在伽馬射線波段展現出來。

為什麼我們能看到？當然是由於技術的進步我們在新的波段打開新的窗口，發現了以前從來沒有想像過的一個結構叫做所謂的費米氣泡。它意味著我在我們銀河系的中心有一個巨大的黑洞，這個黑洞的質量比我們太陽質量的400萬倍還要再重。

不僅如此，這個黑洞在幾百萬年前很有可能發生過劇烈的一個過程吞噬了周圍相當大質量的一團物質，然後產生了一個劇烈的噴射的霧團，這個霧團由很高能的電子組成，被我們今天的望遠鏡觀察到了。

所以，即便我們今天生活的星系裡面，銀河系依然有很多很多的現象是我們不知道的。只有通過不斷地去探索和用更先進的技術去觀察，用數據、用事實的方式才能告訴我們生活在一個什麼樣的地方，我們在一個怎樣的環境里。

我們本身就是宇宙演化的產物

太陽是一個很普通的恆星，在太陽周圍大概幾十顆恆星是在50光年範圍之內的，離我們最近的恆星叫比鄰星。20年前天文學家依然會認為我們地球是很不容易的，一顆星星有這樣的環境去生長高能智慧生命。但其實即便離我們太陽最近的比鄰星在去年也發現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行星帶。所以很有可能有生命，至少生命宜居的環境是在宇宙中大量存在的。這意味著只有科學不斷地去探索才能回答這些最基本的問題。

回到我們太陽系，我們太陽系從哪裡來？組成在座的各位人體的這些物質和一些重的金屬從哪裡來？天文學已經可以回答這些問題，我們今天坐在這裡是因為在宇宙漫長的一百多億年的演化當中，銀河系反覆地有大質量的恆星去形成、去爆炸、去死亡，再把物質噴射出來，在恆星的中心反覆地進行核聚變的過程演化出來重金屬，在爆炸的過程中把重金屬進一步演化成超過鐵的元素，在非常劇烈的天體物理活動當中形成了我們今天在座身體上所有的這些重要的元素。

我們不僅是一個高等智慧生命在研究一個客觀的宇宙，而是我們本身就是宇宙演化的產物，我們本身就是宇宙在我們身上的一個體現。在這樣的環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單的一件事情。

40年前美國發射過一顆衛星叫做旅行者一號。旅行者一號是迄今為止人類發射的唯一一個正式飛出太陽系的衛星，它飛了整整40年。在1990年的情人節2月14號，這顆衛星調轉方向對準地球的方向拍攝了這樣的一張照片。這個照片是著名的行星科學家、科普學家卡爾·薩根先生建議拍攝的。

在右面這張圖裡面大家會發現我用藍色的這個小圈圈出來的就是地球。飛行到太陽系邊緣，人類製造的衛星反過來去拍攝地球的時候，我們所有聽說過的、發生在地球上的其實就在這個暗淡的藍點上。

天文學的研究是意識到人類的卑微，又意識到人類的偉大。我們卑微在我們太普通了，但是我們又如此的不平凡，因為我們有這樣的意願和能力去了解、去探索宇宙是一個什麼樣的狀態，這是一件非常不簡單的事情。

愛因斯坦不相信人類能夠探到引力波

宇宙中有這樣的結構，歸根結底是引力造成了宇宙今天豐富多彩的世界。什麼是引力？這是一個很不簡單的問題，今天我們都沒有真正回答這個問題。牛頓在康熙26年提出了萬有引力定律（就是物體與物體之間有引力,它跟物體的質量成正比，與距離平方成反比），這個最基本的經典引力理論統治了世界大概200多年，一直到一個人的出現就是愛因斯坦。

愛因斯坦說，其實物質與物質之間並沒有引力，沒有力的概念存在。引力本質上講是時空的幾何發生了變化。也就是月球繞著地球轉並不是月球感受到了地球的存在，而是地球的存在使得時空作為一個幾何發生了扭曲，發生了形變，月亮只是按照它當時所在的位置感受到了這個幾何時空的變化而在運動，它其實並不知道地球的存在，所以引力本身是時空的幾何。它是更本質的對引力概念進行一個解釋。至少今天我們認為廣義論相對論是正確的。

廣義論相對論有一個很重要的預言，如果時空發生了劇烈的變化，就像是平靜的水面扔一個石子發生的震蕩，水波會以波的形式傳播開來。時空是也是一樣的，比如說兩個黑洞很劇烈地發生併合的過程中就會產生引力波。但是愛因斯坦當時計算，引力波是很難用當時的技術探測到的。他認為人類是沒有能力去探測到的。

那麼就在兩年前，美國的LIGO實驗用激光干涉引力波觀測平台首次在愛因斯坦提出廣義論相對論之後整整100年發現了遙遠的幾十個太陽質量的黑洞併合後產生的引力波。這是一個非常非常不簡單的事情。這個引力波穿過地球的時候，整個地球的直徑只改變了質子的十倍，也就十個質子這麼大。或者換句話說，從太陽系一直到比鄰星（我們最近的恆星）4.2光年, 光要走四年多的時間，這個距離只是改變了人的頭髮絲的直徑這麼大。愛因斯坦認為我們不可能看到,我們依然在100年之後看到了。

可以給大家聽一下兩個黑洞併合之後產生的引力波是什麼樣的聲音。

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這就是第一次人類聆聽到了宇宙中兩個黑洞併合產生的引力波。

後來發現「引力波」作為一個熱詞被各種各樣的人頻繁地使用。當時人民日報採訪我的時候說，到底能不能解釋一下什麼是引力波。我就建議他畫這樣一個漫畫。

愛因斯坦就像一個指揮家一樣站在這個舞台上，不同的引力波從黑洞裡面誕生，從其他的天體物理環境下誕生，它是充斥著宇宙中的一個交響樂。400年前的伽利略第一次親手製作的望遠鏡指向夜空的時候，我們是看到了宇宙的規模。今天我們通過引力波聆聽到了宇宙的第一個音符。

在世界屋脊聆聽宇宙的初啼

宇宙從誕生的最開始，整個時空撞上的一瞬間，肯定是非常劇烈的一次震蕩，這種震蕩意味著它一定會以一種引力波的方式存在在我們這個時空中。因為它太久遠了，所以信號非常非常的微弱，我把它叫做洪荒引力波。

洪荒引力波為什麼會重要？因為它跟宇宙的起源有關。我們有時候叫做平行宇宙，有沒有其他的世界存在。所有這些問題要回答一定要追蹤到最開始產生宇宙的時候是什麼樣的物理過程。我們觀測洪荒引力波是一個非常重要的基本手段。

在2014年,我們當時感覺到應該已經可以看到引力波了，但事實上由於這個觀測條件有限，只在一個地方觀測引力波是很難得到確切的答案。當時我就已經想到了利用我們國家西藏地區高海拔的環境建立自己的引力波觀測平台。

在阿里地區正式建設了這樣的一個天文台叫阿里天文台，它是世界上海拔最高的天文台。我把它叫做在世界的屋脊聆聽宇宙的初啼。

暗物質是什麼?

還有一個問題剛才沒有回答，就是暗物質是什麼？也就是宇宙是由什麼組成的？今天我們可以確切地拍著胸脯告訴大家，宇宙由這三種物質組成，一種叫做暗能量，不知道它是什麼，因為叫做暗的能量。我們試圖去了解發現，越了解越不清楚,這就是科學研究的過程，今天沒有辦法去了解它。第二大組成叫暗物質，我們至少知道它是物質，它是不是粒子？是什麼樣的屬性？我們並不知道，但是我們試圖去回答這個問題。

這是我們中國發射的第一顆天文衛星叫做暗物質粒子探測衛星。兩年前成功發射，成功發射以後把它命名叫「悟空」。這是我們當時在懷柔的測控中心拍攝的照片，每個人都發一樣的衣服帶一個非常非常小的帽子，我看起來很滑稽。

一個半月前（2017年11月）我們發布了悟空衛星上的首批科學成果。這個科學成果當然也是入選了全球十大航天新聞。我們當然非常希望未來挖掘悟空裡面珍貴的數據，去試圖幫助人們回答一些我們不知道的問題。

用一公斤重的大腦裝下整個宇宙

我們為什麼要探索宇宙？很多人問我這個問題。說你看悟空發射了，有這樣的發現，到底有什麼用？探測暗物質到底有什麼用？這是一個非常好的問題。當然不同的人不同科學家會用不同的方式去回答。

其實我覺得人類為什麼要探索宇宙？地球上總是會有些坐不住的人會去試圖回答這些問題，試圖去回答那些幾千年以來人們一直在試圖回答的問題，而今天我們真的有一些能力有一些技術手段去對這些問題做出一些理性的回答。

我覺得探索本身是來自於人類本質的一種好奇心，這種好奇心是不可改變的，是一種人類文明自然推動的，沒有人能夠阻礙。即便你不探索、我不探索，總會有人去探索。我覺得宇宙的規則雖然是不可改變的，宇宙太大人類太小了，我們不管怎麼探索，宇宙永遠在那裡。

但是我覺得很神奇的一件事情是我們人類用一公斤重的大腦就可以裝下整個宇宙，真的是去理性地回答這些問題而且反覆地驗證我們的這些思考真的是對的，在宇宙中用真相用數據發現我們的這些思考是有道理的，這個事情本身真的是非常非常的不簡單。

今天我們在一個大航天時代，大家通過火箭把很多探測的衛星發射到太空中。我覺得不管怎樣，人類這種探索的腳步有可能是一個孤獨的旅程，因為你很難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生信息的交換，告訴你指引著你應該何去何從。

既然我們作為一個智慧生命存在，我們不知道何去何從,但是我覺得文明要有這樣的擔當，我們既然存在，既然能思考，我們就要回答一個最基本的問題，這樣的文明才有希望。

愛因斯坦說，宇宙中最不可思議的事情就是宇宙竟然是可以被理解的。宇宙中永遠充滿了驚喜，不是說宇宙就可以被理解了，而是在你理解的過程中會發現，你知道的越多，未知的就越多。所有的這個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裡回答這些最基本的問題是一件多麼自豪的事情，因為這個是宇宙！宇宙應該遠遠超過你的想像力。我相信未來人類的發展會給大家帶來更多意想不到的事情, 謝謝大家！