华晨创谷科创文摘：宇宙的身世
高山书院GASA：以下根据张双南于2020年10月22日在高山书院锦屏山站的部分课程内容整理而成，经老师审核后公开发布。点击文末阅读原文，了解更多。
授课老师：张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院大学教授，天宫二号空间实验室伽马暴偏振实验、“慧眼”天文卫星以及中国载人航天工程空间天文与天体物理领域专家组首席科学家。
张双南教授，2020年10月22日在高山书院锦屏山站
“我们从哪儿来，又将往哪儿去？”一直是关于宇宙身世两个悬而未决的谜团。
关于它的出生，答案很简单，对天文学稍有关注的朋友这一刻心里可能都有了答案——宇宙大爆炸。
但比起简单的答案，科学一步步求解的过程其实更弥足珍贵。因为求索过程中的方法与精神，是我们将科学真正融入自己生活中的关键，也是科学教育更重要的一环。
那么人类究竟是怎么样从渺小的地球“坐井观天”，总结出宇宙今天浩瀚样貌的呢？
宇宙身世不是傻问题
有人认为“宇宙有没有起点”是不值一提的问题，因为万事万物有始有终，宇宙自然也有。乍听有理，但其实不然，要论证一件事，不能那么简单轻率。
平时我们所谓的万物有始有终，其实只是科学上的各种转化。今天我们知道，能量与物质之间、元素与元素之间、反应物与生成物之间都可以转化。但这些都不过是转化而已。而宇宙是万物的总和，万物有始有终（转化）并不能说明宇宙也必然有始有终，这逻辑不一定通。
有人说，咱们古代的老子早就解决了这个问题。他说过：道生一、一生二、二生三、三生万物。宇宙就是这么来，问题解了。但这是哲学。就像《张双南：如果把这些方法带进生活，生活就是科学》里说的，它无法拿出证据证明宇宙就是这么来，也不能做出任何相关的预言。这是哲学和科学的一个主要不同之处。
牛顿与爱因斯坦太傻
在西方科学史上，在哈勃之前，包括牛顿与爱因斯坦在内的天文学家一直认为：宇宙无始无终，并静止不变。
因为按当时的天文观测，除了太阳系内的行星绕着太阳运动之外，其他的恒星在天上看起来是一动不动——这也是为什么恒星被称之为恒星。
对于这静止的宇宙，牛顿是这么解释的：宇宙中有很多天体，而每一个天体都受到所有其他天体引力的作用，整体扯平了，总受力为零，所以天体不动。
乍一听，这解释挺好，但其实牛顿当时就知道这说法并不成立。因为天上毕竟有天体在动，比如行星的公转，而牛顿的万有引力定律假设了所有天体之间都拉着某条隐形的绳子，所以只要一个天体动了，引力作用照理来说会瞬时传给其他天体，所谓静止的天体系统也就自然崩溃了。
在牛顿的失利后，爱因斯坦也加入到了探索阵容。他用自己建立好的广义相对论，对宇宙的静态进行了一番解释：广义相对论的引力，本质上是空间的弯曲，所以一个天体的运动无非是引起了它附近的时空变化，再以光速（而非瞬时）向外传递，所以其他地方还能大致处于平稳。
乍一听，算是解决了牛顿遇到的麻烦。但经过计算，他发现了一道更大的难题：虽然天体系统不至于崩溃，但也不能维持静态，要么膨胀，要么收缩。
他和牛顿都一样，得不到一个预想的宁静、和谐、静止不动的宇宙。以今天的科学去看，这样的预想太傻了，但其实不然。
一方面，当时天文的观测给科学家提供的线索就那么多，而科学是不能脱离观测去凭空臆想的；
另一方面，正如苏轼《题西林壁》里：横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中，我们作为一颗尘埃身在宇宙当中，要想还原宇宙的来龙去脉，本身就是一件极难的事。
哈勃两度推翻前辈
那么两大物理巨匠对宇宙的困惑，后来是怎样搞清楚的？这就关系到我们如何把天体与我们之间的距离测准。
方法1：三角视差法
我们都知道：地球绕着太阳进行运动。在半年当中，地球从太阳的一端跑到的另一端，形成一个简单的三角几何，而我们一旦测准了地球与太阳的距离，以及半年内天体角度的变化，我们就可以计算出天体和地球的距离。
不过，对于过于遥远的天体（比如银河系外），这角度就变得极其的小，一旦超出望远镜的角分辨率，测量方法就失效了。
方法2：造父变星
后来，天文学家发现了一种天体，叫造父变星。这类天体的亮度有着周期性的变化，而且科学家在它身上发现了一条有用的规律，就是光变周期越长，则光度越高。这意味着当我们知道一颗造父变星的周期，我们也知道了它的绝对光度。
虽然科学家当时对这条规律的背后原理不明所以，但它却为天体测距打开了一条新的路径。
就像一根蜡烛，当它离我们越远，看起来便越暗淡。那么只要我们能确认蜡烛本身的绝对光度（叫作标准烛光），我们便能从实际观测到的亮度，去倒推天体和我们之间的距离。
通过这个测距办法，哈勃发现：原以为处于银河系之内的很多云状物，实际上离银河系非常远，同时数量却极多，在望远镜的进一步观测下，发现它们的结构其实和银河系类似。
由此，哈勃得出了一个结论：宇宙其实是巨大无边，充满了无数个银河系般的星系——不过大归大，这时候宇宙在哈勃的理解中仍然是静止不动的。
随着宇宙巨大无边，哈佛也唤醒了古老而著名的奥伯斯佯谬。（了解更多：张双南老师的七次宇宙观飞跃课程链接）
如果宇宙真的有无数个星系，那么我们在地球上理当接收到数学上无穷多的星体所发出的光，这么积分起来，无穷大的光总量，岂不是会让我们亮瞎眼？然而，我们并没有被亮瞎眼，夜空仍旧美丽。
对这个矛盾，最初哈勃也异常困惑，但他很快找到了答案。答案就来自于他下一个发现：宇宙不是静止的。
方法3：红移
打个比方：一辆汽车往外发射（或反射）某个固定频率的电磁波。
根据我们接收到的电磁波变化，我们能知道车子处于什么状态——如果频率不变，说明车子不动；如果频率变低，说明车子正远离自己；如果频率变高，说明车子正奔向自己。而频率的变化幅度，利用多普勒方程，可以进一步得出物体的移动速度。
多普勒效应同样可以用来测量天体的运动速度。拿天体原子所发出的光谱线和地球实验室相同原子发出的光谱进行比对，如果频率变高（=波长变短，称作蓝移），代表天体冲着我们而来；如果频率变低（=波长变长，称作红移），代表天体背着我们而去。
当然，这里科学家都做了一个必要的假设：宇宙的现象和地球的现象遵守相同的物理规律。
最后，哈勃发现，天体都在离我们而去，而且离得越远，动得越快——哈勃定律，也衍生成了今天测距的重要方式。
当下的一些测距方式
既然天体如今正离我们而去，由于物理定律从时间上是对称的，那么让时间倒流的话，天体必然冲着我们而来，最终聚在一个起点上。
于是，哈勃从宇宙的膨胀，发现了宇宙的起点。
回到刚才的佯谬。既然宇宙有起点，那么宇宙的寿命就有限，而在有限的时间内光线传到地球需要时间，所以我们只能接收到有限的天体的光。如此一来，亮瞎眼的矛盾也就迎刃而解。
宇宙起源于一场爆炸？
沿着哈勃的发现延伸，宇宙之初万物都聚在一起，物质密度极其之高，从这么高的密度开始分离开，必然发生了一场爆炸。宇宙大爆炸的推论，就是这么简单——至于怎么爆炸，那是另外一回事。
但作为一个科学理论，大爆炸理论必须经过观测验证，并有能力预言。
根据大爆炸理论，宇宙早期在爆炸下温度非常的高，然后随着膨胀而降低，一直降到今天，经过计算，只有大约零下270度，而这对应着一个微波段的黑体辐射。不过根据黑体辐射定律（辐射强度与温度的三次方成正比），这么低温的辐射强度非常弱，几乎所有人都认为无法验证。
然而1965年，两个本来做通讯雷达的射电天线工程师，却无心插柳地发现了某个来自于四方八面的神秘噪音，最终确认为微波背景辐射，验证了宇宙大爆炸的基本预言。
经过科学家多年来一片片的线索拼图，最终建立了这么一个图像：
宇宙大爆炸理论模型
宇宙的起点是一场大爆炸。爆炸后的早期温度极高，宇宙没有粒子、只有能量；后来逐渐冷却，过程中先产生基本粒子汤里的各种夸克、轻子等粒子，再进一步产生原子、分子。然后再继续冷却，最终在引力的作用之下，一团气体收缩产生了恒星，而足够多的恒星再相互吸引聚成了团，形成星系。当然，在星系里，更多的恒星会进一步产生与死亡，所以星系也有了演化。
而这一个大爆炸模型，结合其他恒星演化理论，和我们今天已知的物质和元素，吻合度是意外地高。
宇宙中，占了75%元素以上的氢和氦，是由大爆炸直接产生的。当然单是这方法，还不足以形成所有物质，尤其是金、铂、铀等重金属元素。所以除了大爆炸核合成，科学家也发现了其他的路径，如恒星内部的核反应、两个中子星并合在一起、白矮星爆炸、宇宙射线造成元素裂变等理论。
不同颜色表示了元素的不同产生方式
根据这些理论的推算结果，已经可以清楚地解释出周期表中所有元素的生成，而且这些元素的比例和我们从地球、太阳系以及宇宙直接测量到的比例一致。
所以，大爆炸理论确实是当下一个很好的宇宙理论模型。（关于大爆炸的更多疑问，敬请期待下一篇高山经典课程 ）
炸得好，但不够好
然而，大爆炸预言和我们的实际观测，还是有些不契合。
如果宇宙就是这么膨胀，由于天体之间有引力，膨胀照理应该越来越慢，就像我们在地球往上抛出一个石头，石头在引力作用下怎么都应该变慢——除非石头后装了什么未知的发动机。
然而在1998年，三个天文学家确认了宇宙的膨胀恰恰是越来越快。
这说明了：“天体之间只有引力”这一个原以为绝不可能错的假设，是真的错了——在石头背后，还真的就存在一台未知的发动机，产生着排斥力。而这些排斥力就超过了天体之间的引力，造就了这个加速膨胀的宇宙。
这种斥力机制，我们姑且称为暗能量，就是大爆炸模型完全缺失的一大拼图之一。
宇宙的终点
宇宙的未来，很大程度上取决于暗能量的性质。
未来，宇宙可能再塌缩回一个起点，也可能继续膨胀——临界膨胀、滑行膨胀或加速膨胀，甚至于大撕裂，把万物扯得粉碎。
这些都是可能性，但究竟哪一个，只要暗能量一天没搞清楚，宇宙的未来也就理不明白。
但我们始终在路上，寻找真相。眼前还看不到终点，但回过身看，这一路好像也已经走得挺远。