电视屏幕里的雪花点,竟有1%是宇宙大爆炸留下的余晖!

出品:"SELF格致论道讲坛"公众号(ID:SELFtalks)

以下演讲内容是中国科学院紫金山天文台首席研究员冯珑珑的演讲实录:

美丽浪漫的宇宙

今天我想通过天文中的一些现象,给大家解读关于宇宙演化的一段历史。

首先给大家看一张银河系的照片。这张照片拍摄的地点在青海的冷湖地区,那里是一片无人区,有18000平方公里。

银河系(邓李才拍摄)

这张照片是我的同行邓李才研究员拍摄的。我们当时是为了去西部选址,想为未来要建设的天文台找一个落脚的地方。

大家一定会好奇这张照片是用什么设备拍的?这张照片是用一个国产的非常小众的手机拍摄的,我觉得非常震撼。

下面我再给大家演示几张用最先进的哈勃空间望远镜拍摄出来的,宇宙中一些特别壮观的场景。

我们先看几张充满浪漫色彩的照片。

这张叫“一箭穿心”。大家能看到一个很大的圆环,圆环中心有一块非常红的部分,实际上是一个星系。

一箭穿心

车轮星系 Cartwheel Galaxy

另外有一个小星系就像丘比特的箭一样,一下子就穿过去了,在这个星系当中激起了阵阵涟漪,最后形成了周边一些非常漂亮的图案。

另外一张叫“纠缠不清”。大家可以看到,这是两个纠缠在一起的星系,每个星系和银河系一样,里面包含着千亿颗像太阳一样的恒星。

纠缠不清

NGC2207 & IC2163

(Optical(Hubble))

这两个星系很多年前曾经发生过一次非常近距离的接触,但是后来又分开了,它们最后的命运是通过碰撞过程汇合在一起,我们称为合并。

有趣的是,这两个星系在纠缠过程中,也在孕育新的生命,在它们的交合处,有大量新的恒星在不断生成。

上面两张照片展示的是比较浪漫的场景,我再给大家看一个比较剧烈的场景。

这张照片叫“弱肉强食”,实际上就是一场星系的战争。

弱肉强食

蜘蛛网星系 Spiderweb Galaxy

宇宙中不断发生着这些故事。一个很大的星系不断吞噬周边一些小的星系,如果有一个跟它差不多大小的星系,它们碰在一起,最后的结局就是两个星系并合起来。

如果把每一个星系看成一个点,天文观测对整个宇宙做一次普查,我们会看到以下场景。

宇宙网络

这是美国SLOAN(斯隆)基金会赞助的巡天计划给出的非常漂亮的宇宙星系的分布动态图,我们把它称为宇宙网络。

这当中有很多纤维结构,还有一个长城结构,除此以外还有一些非常大的空洞结构,这些空洞结构都是上千万光年以上的量级。

天文学一个很重要的领域,就是用物理学的方法,去研究这些结构是怎么形成的。

宇宙演化的动力和种子

在人类历史上所有的文明中,大家都认同一个观点,所有事物的发展都是由简单到复杂。

这个观点实际上是一种演化的观点,在老子的《道德经》中就可以看到。《道德经》中说“道生一,一生二,二生三,三生万物”。

有了演化观,就可以完全不用纠结“鸡生蛋、蛋生鸡”的问题,一切都是从演化来的。

目前,我们从这个观点来研究宇宙的演化,有一个重要的框架大家可能都知道。很多人都看过《生活大爆炸》这部电视剧,也译作《大爆炸理论》,这里面有一群奇怪的物理学家,他们发生了一些比较有趣的故事。前面提到的框架其实就是指宇宙大爆炸的理论。

《生活大爆炸》(又名《大爆炸理论》)

宇宙大爆炸大家都已经听说过了,138亿年前,宇宙中曾经发生过一次非常剧烈的爆炸,爆炸以后,整个宇宙的温度非常高,随着宇宙的膨胀,温度不断降低。

下面我讲两件事。

第一件,宇宙曾经发生过一次暴胀。暴胀的概念用英文来表达的话是Inflation,这个词的另一个含义是通货膨胀。

通货膨胀会导致人们之间的贫富差距都消除了,大家都变得一样贫穷。由通货膨胀是由谁来发动的这个问题,我们联想到宇宙暴胀是怎么发生的。

另一件,宇宙原初非常热,有一些非常高能量的光,它冷下来以后,有一个像海洋一样的光的辐射,这就是大爆炸的余晖。后面我会讲跟这两件事相关的事情。

宇宙膨胀示意图

是什么驱动了宇宙的暴胀呢?物理学家找到一个叫φ的家伙,它是发动暴胀的根源,驱动了宇宙暴胀的过程。

驱动完之后,它好像感觉心里很不爽,就像喝醉酒的醉鬼一样从山顶往山底滚,滚的路线就是一个随机运动,最后滚出来一个稀奇古怪的形状。

φ的“醉鬼”路线

我们现在能看到在宇宙的那个充满辐射的、完全光子的海洋中,就会留下这个痕迹。

宇宙微波背景辐射温度各向异性天空图

这个海洋是什么样的海洋?它的光的频率是在微波波段,和我们的微波炉一样,只是它整个强度太低了,不能把我们“烤熟”。

前面提到的φ这个醉鬼,它随机行走留下来的痕迹,天文学家和物理学家通过最高精度的卫星,已经看到了。图中发蓝的地方以前温度稍微高一点,红的地方温度稍微低一点,中间的差别其实非常小。

虽然通货膨胀把大家的贫富差距都消除了,最后就留下来一点痕迹,这个痕迹的差别是十万分之一,但是这十万分之一非常重要。

如果没有φ这个醉鬼走的这条路线,就形成不了我们刚才看到的宇宙当中的万千景象,形成不了星系,形成不了整个星系团的结构,也形成不了人类。

我刚刚说的微波的东西大家回家就能看见。我们经常通过这些微波的线路传输一些电视的图像,大家可以回家以后打开电视,手动方式调到一个没有电视频道的地方,会发现一片雪花点,在这片雪花点当中,有1%的雪花点是宇宙大爆炸留下来的余晖。

天文学家用更精密的手段可以测量出,这个余晖不同角度之间的差别,就是十万分之一,这就是产生现代人类、产生整个宇宙的一个种子。

这个种子怎么发展成我们现在的宇宙的?

宇宙演化模型:抱团取暖

整个宇宙演化的模型,被称为和谐宇宙模型。

和谐宇宙模型

要想生成宇宙的这些结构,首先要有物质。这些物质是什么呢?暗物质、暗能量,还有一个最重要也是最少的物质,是原子。

原子也是一种发光的物质,是组成我们人体、地球、太阳,还有我们看到的这些星系的物质,它只占了4%左右,所以整个宇宙是个暗宇宙。

宇宙学的一个观点是演化观,即从大爆炸慢慢产生,由前面提到的φ场来驱动。

其实这里面还有一个机制,叫做引力不稳定性。

这个概念可以这样理解,如果有一群人一起掉到一个冰窟窿里面,因为冰水很冷,大家最后肯定要抱团取暖,宇宙当中所有的物质也是按照这种方式形成的。

当所有物质的温度变得很低的时候,它们就紧紧地聚集在一起,甚至之间可以发生核反应,就像太阳一样,这就是引力不稳定性。

有了这个机制,我们还需要有相应的组织原则,我们不能用大的类似托拉斯的东西,然后再搞垄断把它分裂掉。

我们先从小的做起,先形成小的结构,再形成大的结构,这些结构会发生并合,这种结构不断增长,最后形成宇宙中非常大的星系、星系团。

结构形成的等级成团模型

(Anglo-Australian Observatory)

这张图显示的,就是我们现在所能看到的所有结构,从星团到矮星系到星系,还有星系组成的星系团。

宇宙的多尺度层次结构

天文学家如何理解宇宙

天文学家想知道这些星系是怎么形成的,如何去理解这些结构。这个问题想想就觉得很复杂。

一个星系有千亿颗恒星,又有上千亿个这样的星系,组合在一起,要去理解这个结构非常难。我们现在也是采用由简入深的方法进行理解。

在座的各位有没有人认识这块表?这是瑞士一个奢侈品牌的表,中文名叫宇舶,它是科学和艺术的结晶,非常漂亮。

宇舶手表

这块表的整体设计理念,大家知道是从哪儿来的吗?

这是一个安提凯希拉装置,这个装置是在罗德岛附近一艘2000多年前的沉船中找到的。

安提凯希拉装置

通过X光扫描后,大家发现安提凯希拉装置的结构非常复杂。这里面有37个齿轮,最大的一个齿轮有235个齿,齿轮之间有很复杂的联动和咬合结构。

这种结构人类在1000年以后才造出来。为什么古希腊就造出来了?它采用这种小的齿轮结构是干什么的呢?

后来人们发现它是一台行星的计算器,或者说是行星的计算机。它可以知道太阳在黄道十二宫中的位置,可以知道月相,可以准确预言日食、月食,还可以算出金星、木星、水星、火星、土星这五颗行星的位置。

我们知道齿轮都是圆的,它是基于一个什么样的原理来运转的呢?

在罗德岛边上还有一个岛叫萨摩斯岛,古希腊哲学家、数学家毕达哥拉斯就出生在这个岛上。我们都学过勾股定理,这个定理在西方就叫毕达哥拉斯定理。

毕达哥拉斯和天体和声

毕达哥拉斯所崇尚的就是宇宙中所有的东西都尊重圆轨道,因为圆轨道是最和谐的。

据说,他因为听到打铁的声音,就能够知道宇宙当中存在和声,他认为宇宙行星轨道都存在这种和声。

另外,有两位著名的学者也提出了自己的想法。

阿波罗尼斯和依巴谷

数学家阿波罗尼斯提出了一种解释行星轨道的方式。首先行星在一个大轮上面运转,如果是地球在大轮的中心,有的行星可能会逆行。怎么办呢?

有个轮叫做均轮,就在它上面加一个本轮,后来发现,这样去解释观测不是很好。(注:上图右侧的大轮叫均轮,大轮上的小轮叫“本轮”。)

罗德岛天文学家依巴谷(岁差就是他发现的),把地球的位置稍稍偏离一点中心,这样行星运动轨道就不是一个完全均匀的运动。

最后,托勒密综合他们所有人的成就提出了地心说。

托勒密提出地心说

大家对地心说的评价可能有一点问题,其实地心说是人类历史上第一个可计算的宇宙模型,它也是理论和观测相结合的一个典范,是古代科学留给我们最重要的一个遗产。

在这个遗产的基础上,牛顿最后建立了统一天界和地界运动规律的庞大的经典力学体系,爱因斯坦也提出了关于时间和空间的理论,还有哥白尼的日心说,都是在这个基础上慢慢发展出来的。

如果单纯从数学上考虑,地心说错的没这么多,任何一个复杂的运动都是可以用这种圆周运动的方式把它组合起来,学数学的人可能都知道,这就是傅里叶变换。

任何一个复杂的周期性运动,总是可以用一个个小的圆周运动把它组合出来。这就奠定了我们对宇宙最复杂的问题进行研究的基础。

盘古模拟

我是从20世纪90年代开始从事相关研究的,原来学的是偏理论物理方面的专业,后来当了码农,天天写Code。

当时我们用爱因斯坦的广义相对论、牛顿经典力学等作为理论框架。那时我用的是一台286机器,内存只有16兆,我的第一个数值模拟程序就是在那台机器上做出来的。

我们把宇宙所有的星系、所有的天体都放在一个网格上,然后把这些网格上的数据全部输入到计算机的内存中去。如果想要算的精度非常高,网格的数目就要求特别多,所有的内存限制你的计算。我们再把它放在超级计算的平台上。广州天河二号超级计算机的运算能力曾经是世界第一。

很多年前,有四家单位启动了一个叫盘古模拟的计划,这四家单位分别是中科院紫金山天文台,国家天文台,上海天文台,还有中科院计算机网络信息中心。

我们一起提出了一个用高精度的数值模拟去解析暗宇宙中的结构形成的想法。大家可以看一下我们当时盘古模拟的场景,这就是用网络中心的一台超级计算机所模拟出的宇宙中的一个场景。

有一个通过不断吞噬别人长大的天体,这个天体的大小是银河系的一万倍。 我们当时做这个模拟时,用了300亿个粒子,同时跟踪将近2000亿个方程。随着计算机技术的发展,我们在天河二号上能跟踪上万亿个方程,就是跟踪这些粒子的演化。

这个图景非常壮观,当中很大的一个星系团,它包括了一万个银河系大小的星系。

吞噬过程是怎么产生的?

大家可以看到,开始的时候非常均匀,然后宇宙的结构就开始形成了。有的星系开始发动星系战争,它不断扩大自己的殖民地,去吞噬周边的星系。最后,来了一个跟它大小差不多的星系,它们两个握手言好,最后合并在一起,形成一个比较大的天体。

银河系和仙女座大星云

天文学家估算差不多40亿年后,这两个星系之间也会发生剧烈的碰撞。

但是大家不用担心,那时太阳系已经没了。即使太阳系还存在,这种星系之间的战争是帝王之间的战争,如果人类还存在,对大家的生活也没有任何影响。

我们现在已经从机械齿轮时代进入到超级计算时代,天文学发展也得益于信息技术的发展。

现在的计算机已经不仅仅是科学发现的工具,也是科学发现的手段,很多重要的天文发现,都是通过这种方式取得的。

这张图画的是我国一个著名的成语叫杞人忧天,讲杞国有一个人整天担心天会掉下来。

杞人忧天

这个成语在当时是比较中性的词,后来变成了贬义词,指一个人没事找事,整天想一些不着边际的事情。天怎么会掉下来呢?但物理学证明,这是最严肃甚至最深刻的物理学问题。

亚里士多德曾经考虑过这个问题,所以他提出天界和地界遵从不同的规律。牛顿也考虑过这个问题,最后他建立了一个庞大的经典力学的圣殿。到了后来,大家发现天不会掉下来。爱因斯坦发现在他的理论当中,天会膨胀,他不喜欢膨胀,他觉得一个静态的宇宙比较好,因此爱因斯坦就错过了一次发现宇宙膨胀的机会。

宇宙如果膨胀会给我们带来什么后果呢?最后很可能是四分五裂。

脚踏实地,仰望星空

我另外一个身份是在中科院紫金山天文台工作,几年前来到中山大学。

中山大学建立了中国第一个天文系和天文台,是国人自己办的。1926年,留学法国的张云博士回国后,上书当时的国民政府,力陈天文学在所有科学中的意义。到1952年之后,因为院系调整,中山大学的天文系整体搬迁到现在的南京大学,南京大学现在是国内天文系最厉害的一个学校。2013年,中山大学想传承这个传统,恢复了天文系,我认为这是非常好的举措。广东是改革开放的前沿,经济实力非常雄厚,这几年它对基础科学的研究也有不断的投入。

我们不但要做实用的科技,更需要仰望星空。谢谢大家!