沌初開
——揭開宇宙學(xué)的神秘面紗
浩渺的宇宙，珍藏著很多秘密，等待著人類去探尋。2017年6月12日上午，珠海北大附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校邀請(qǐng)中山大學(xué)物理與天文學(xué)院博士生導(dǎo)師黃志琦教授，在高中部報(bào)告廳舉辦一場題為“混沌初開——宇宙背景微波輻射”的科普大講堂，高一年級(jí)同學(xué)們聆聽了一場來自科學(xué)前沿的理論盛宴。
黃教授的講座分為四個(gè)部分：宇宙的尺度和構(gòu)成、宇宙背景微波輻射、第一推動(dòng)力從何而來？未來會(huì)怎樣？他根據(jù)高中生的知識(shí)水平，深入淺出地講解距離的概念和宇宙的范圍。在牛頓提出萬有引力之前，宇宙學(xué)基本是個(gè)宗教和哲學(xué)問題。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，有些現(xiàn)象無法解釋，如水星進(jìn)動(dòng)、光線經(jīng)過恒星附近時(shí)的彎曲、星系外圍恒星運(yùn)動(dòng)速度、超新星測(cè)距得出宇宙加速膨脹。
現(xiàn)代版的“混沌初開”理論誕生了，宇宙一開始是很熱的“一片混沌”，溫度隨著宇宙膨脹而降低，當(dāng)溫度降到太陽表面溫度的一半時(shí)，“混沌初開”，宇宙變得透明。
宇宙背景微波輻射（CMB）的預(yù)言于1950年被兩位科學(xué)家提出：宇宙的外殼只有幾K，1964年在射電望遠(yuǎn)鏡噪聲中意外發(fā)現(xiàn)了約3K的背景輻射，1990年1月美國天文學(xué)會(huì)的一次會(huì)議上，展示了一張衛(wèi)星觀測(cè)的CMB譜和預(yù)言的黑體譜完全吻合，精確計(jì)算再次得到了觀測(cè)驗(yàn)證。2.73K的宇宙背景微波輻射雖然非常均勻，但在各個(gè)方向上還是有大概十萬分之一的起伏，黃教授展示了減掉平均溫度的CMB溫度圖，宇宙被展開在同學(xué)們面前，令人驚異。
關(guān)于極早期宇宙的猜測(cè)，黃教授提到真空不空的概念，場無處不在，每種場對(duì)應(yīng)一種粒子（或一對(duì)粒子）。各種粒子的場都“住”在四維空間里，如果時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，就能“無中生有”?；谶@種想法的理論有：霍金的黑洞蒸發(fā)理論、宇宙早期暴漲理論，但是量子場論和廣義相對(duì)論還是無法統(tǒng)一。霍金以及一批俄羅斯科學(xué)家發(fā)展起來一種在特殊情況下，可以從平直時(shí)空外推到彎曲時(shí)空的計(jì)算方法，十分管用。GPS衛(wèi)星定位就是這種理論的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用?，F(xiàn)在的宇宙學(xué)模型只有6個(gè)自由參數(shù)，我們已經(jīng)檢查了數(shù)百億個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，沒有發(fā)現(xiàn)任何與理論語言矛盾的地方。
艱深的理論，一張張圖表，讓同學(xué)們感覺在聽“天書”，但把“天書”說得好，展現(xiàn)了博導(dǎo)的水平。這是人類智力的大考驗(yàn)，需要99%科學(xué)家的失敗方能幸運(yùn)獲得突破。自上世紀(jì)80年代以來，宇宙學(xué)只能做修修補(bǔ)補(bǔ)的工作，可觀測(cè)宇宙有130億年的歷史，人類如恒河沙數(shù)，但是不會(huì)停下探尋宇宙奧秘的腳步。
周建軍主任本科畢業(yè)于物理系，與黃教授探討了有關(guān)物理學(xué)前沿的問題。
會(huì)后，同學(xué)們到操場參與了中山大學(xué)物理與天文學(xué)院學(xué)生們組織的科普活動(dòng)，一個(gè)個(gè)書本上的物理定律被生動(dòng)直觀的小實(shí)驗(yàn)、小游戲演示出來，可觸可感，激發(fā)思考和動(dòng)手能力。
學(xué)習(xí)通道全面打開，珠海北大附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校引進(jìn)國內(nèi)一流的教學(xué)資源，整合國內(nèi)最尖端的學(xué)術(shù)專家，為學(xué)生們愛科學(xué)、學(xué)科學(xué)、用科學(xué)打開一面通往宇宙的窗戶，相信他們將受益終身。
（文、圖：王智勇）
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