［转载］陈学雷：探索宇宙没有止境
本帖最后由 kxjh 于 2010-12-14 13:40 编辑文章来源：http://news.zcom.com/rollnews/72324/
转者提示：为方便阅读分为三楼，一楼为简介，二楼为古代部分，三楼为现代部分。
■演讲话题：宇宙过去和未来
■演讲者小传
陈学雷，1969年出生于北京。1991年毕业于复旦大学物理系理论物理专业，1994年获北京大学物理系粒子物理理论专业硕士学位，1999年获美国哥伦比亚大学物理系理论物理专业博士学位。先后在美国俄亥俄州立大学物理系、美国加州大学圣芭芭拉分校理论物理研究所任博士后、高级科学家。 2004年底回国，任中国科学院国家天文台研究员， 2006年任国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席研究员。
■著名天文学家讲述古今哲人科学家是怎样思考和探索宇宙的
■中国的老子、曾子、庄子等人对宇宙的最初都有过质疑和论述
■朱熹认为宇宙之初是“一团状物在旋转”，与现代天文理论类似
■科学的方法越来越多越来越精，人类的探索没有止境 本帖最后由 kxjh 于 2010-12-14 13:41 编辑
■中国古人眼中的“宇宙”与西方人的说法不同
意大利文艺复兴时期的杰出画家和雕塑家米开朗琪罗，曾在西斯庭教堂顶上画了一幅很大的画，其中一部分描绘的是上帝创造亚当的场景。它实际上代表了古人对宇宙的想象或者说思考。
什么是宇？什么是宙？汉朝有人编了部《说文》，从这本书上“宇宙”两字原始的字形看，宇原来的意思是无边，引申出来就是我们居住的这个延展的空间；宙，是指“舟舆所极覆也”，就是说这个船或者车出去，然后又回来，又出去又回来。我理解，这反映着一种循环的概念，即时间的概念。
中国古代其他一些文献里提到这两个字，意思也差不多。比如战国时期的墨子和庄子。基本上表达了我们中国古人强调的宇宙的概念，就是所有空间和时间，这是一个非常现代化的概念。
今天我们经常用“宇宙”这个词，对应的其实是西方用词，“宇宙”在西方不是强调时间、空间的概念，而是强调整个世界所有的东西，按照一种次序，排列起来的概念。
按照《圣经·创世纪》的描述：“起初神创造天地。地是空虚混沌，渊面黑暗；神的灵运行在水面上……
这个希伯来民族的神话实际上跟所有的创世神话一样，有很多共性。比如认为一开始的时候，世界是一个空虚混沌。
中国最久远的神话，很多都已经失传了。我们熟悉的盘古的神话，现在找到的最早的记录是，三国时一个叫徐整的人写的《三五历经》。这是最早记载盘古开天传说的一部著作，其中引述了一段话，跟《圣经》的说法差不多，说世界是混混沌沌的一摊东西，像个鸡蛋一样，盘古就生在里面。然后过了一万八千年，天地就开辟了，阳清为天，阴浊为地，盘古在其中，一日九变。这个天就开始长高，开日高一丈，地日厚一丈，盘古日长一丈……
我们的民族，是一非常讲究理性的民族。我们的先人在很早的时候就开始思考起源问题了。春秋时代，有很多人讨论天地和宇宙，比如在《庄子·天下篇》里就记载说：“南方有倚人焉，曰黄缭，问天地所以不坠不陷，风雨雷霆之故。惠施不辞而应，不虑而对，遍为万物说。”大家听说过杞人忧天的故事，杞人也许指的就是这倚人。为什么天不掉下来，地不坠下去？倚人有点儿担心。惠施是一个著名的哲学家，学富五车。他对倚人问题流畅对答，说明他很早以前就做过相关研究。
从时间上讲，比惠施、庄子更早一点的，还有老子和孔子。老子的《道德经》说：“天下万物生于有，有生于无。”这是一个很先进的观念。他认为最开始是没有，然后有了以后再分化。怎么分化呢？他说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”就是说，在最早的时候，首先有一个道，道是什么东西？这个不知道。有了道以后，在道的作用下产生了一二三，逐渐就产生出万物来。他觉得，在我们日常看到的这些东西之外，在天地之外，应该有一种更原始更根本的东西。他把它叫做道或者叫做大，他是思考这个事物的起源。
■曾子质疑：天圆地方，四个角接不上
关于世界的结构，古代主要有三种学说，即盖天说、浑天说、宣夜说。盖天说是指从地上往天上看，天是一圆的东西，像个碗倒扣着大地；而地面是平的，像一个棋盘。浑天说有点不一样：天还是像个倒扣的碗，这个碗并没有完全盖住地，它有一漏着的地方；整个地是平的，外面被天包了起来，这个说法像是天可以延伸到地底下去。宣夜说则认为天地都是无穷的。
古人这些想法对不对，当时也有很多人质疑。大家都知道，屈原有一首很有名的诗叫《天问》，其中就有疑问：古人说古代是一个混沌，然后清扬为天，重浊为地，但这是谁传下来的，你怎么知道的呢？屈原的思考是非常深刻的：你没有根据，你怎么想出来的？
曾子也说，古人谈到天圆地方，圆的和方的四个角接不上啊：“如诚天圆而地方，则是四角之不掩也。”他所理解的天圆地方是：“天道日圆，地道日方。”就是说，天这个道理是圆的，地的道理是方的。这个“道 ”具体指什么我们不知道，但天圆地方这个概念流传久远，古代的铜钱外面就是圆的，天圆；中间是方的，地方。
后来还有佛教的学说。它有一个很有意思的观点，认为宇宙是循环。一开始是成，然后经过13.44亿年之后就毁了，最后到空这个状态，这个过程是轮流循环的。
宋朝人吸取了儒家和佛家的精神，在提到宇宙时认为，经过一个周期，一开始天开，然后地成，再然后生万物。他们认为，宋朝已经过了当时周期的一半了，最后毁灭掉。当时著名的学者朱熹就认为，先是气形成一团状物在旋转，转到最后，重浊的形成地面，然后清扬的形成天了。这跟我们现代的很多天文理论在形式上有点儿类似。根据当时五行八卦的一套理论，古人认为天地有毁灭、生成的过程循环，但天地之外还有没有东西呢？历算家只能算到日月星辰运行处，上去便算不得。
■古希腊天文学家很早就认识到地球是圆的
希腊人也很能思辨，他们也想象了大地的本原，可能是水，可能是气，可能是火。这些方面一开始跟古代中国人的想象非常类似，但也有一些超越于时代的想法。比如说阿那克萨戈拉在很早的时候就提出，太阳是一颗灼热的大石头；而德谟克利特提出了原子论，即我们这个世界是由原子构成的；毕达哥拉斯除了勾股定理外，还提出了宇宙模型：地球不是处在中心位置，它的中心是一个未知的东西，叫做中央之火；太阳和地球都围绕着这个中心火球转，而且地球的反面还有一个反地球在转，以保持平衡。
古希腊人的几何思维非常发达，所以一开始就有很明确的图像，他们很早就认识到地球是圆的。在那个年代，欧几里得几何学也得到了发展。阿里斯塔喀斯是最早提出日心说的人，他认为太阳是宇宙的中心，还测量太阳、月球和地球的大小。
古希腊的天文学集大成者是托勒密。托勒密的天文学建立在亚里士多德的物理学基础之上。亚里士多德的物理学说轻的东西往上飘，重的东西往下掉。对于一般物质，他说应该往下掉，但天上的物质不一样，天上的物质是做圆周运动。托勒密主张，天上的行星都绕着地球转，太阳也绕着地球转。可观测到的情况又不完全与之相符，怎么办？托勒密就设想：各行星都绕着一个较小的圆周运动，而每个圆的圆心则在以地球为中心的圆周上运动。他把绕地球的那个圆叫“均轮”，每个小圆叫“本轮”。托勒密的这个理论非常好地解释了古代观测到的天文现象。古代宇宙学的情况大致就是这样。
由上可见，古人有丰富大胆的想象和深邃的哲学思考，也有很多思辨和推理，但他们在方法上却不够系统，很多地方也不是太严谨。有的时候跳跃很大，跳着跳着就没有根据地错掉了。他们在观测方面也受到局限，认为天体都是做圆周运动，并没有认识到惯性原理，认为推一下东西才动一下，不推就不动了。此外，还有数学理论的局限。 本帖最后由 kxjh 于 2010-12-14 13:42 编辑
■爱因斯坦认为，时间和空间不是平直的而是弯曲的
下面看看今天的宇宙学。
2001年，美国发射了一颗卫星，叫做W-map卫星。它对宇宙的微波背景辐射进行了控测。我们今天看到的最远的天空，距离非常遥远。我们今天对宇宙的认识，跟过去也完全不一样。
我们知道，古代和近代的区分，是在17世纪的时候，当时发生了近代科学革命。很重要的一点是哥白尼提出了日心说，打破了托勒密的地心说，认为太阳是宇宙的中心。哥白尼解释了人们所观测到的一些天文现象，但它的意义却不局限于天文，它实际上使我们开始思考，如何用一套科学的方法去探索宇宙。
比哥白尼稍晚一些的伽利略也在思考这些问题。他用自制的望远镜看到月球表面是有缺陷的，并不像亚里士多德所认为的那样，天上的东西完美无缺。后来牛顿根据一些天文数据进行推算，又发现了无论是地球上的物体，还是天上的行星，都遵循同一套物理学规律。
牛顿是用一套数学方法来描述类似引力这样的现象，这是科学的方法。当然，牛顿也有他的局限性，比如光的传播需要一个“绝对静止”的参照系，当这个参照系改变，光速也随之改变。然而，根据麦克斯韦方程组得出，电磁波的传播不需要一个“绝对静止”的参照系，光在任何参照系中光速均不变。
接着，迈克尔逊所做的观测实验也证实了光在任何一个方向上的光速都是一样的。随后，爱因斯坦就提出了狭义相对论，认为运动是相对的，光速也是恒定不变的。狭义相对论提示了时间与空间的统一性和相对性，推翻了牛顿的绝对时间和空间观，建立了新的时空观。后来，他提出了一个新的时空图像，就是说时间和空间不是平直的，而是变弯曲的，在数学上叫流形。另外，弯曲的程度是由物质的多少决定的，如果某个地方有很多物质，它就会把周围的空间搞弯曲了。
在提出广义相对论的同时，爱因斯坦也提出了验证方法：一个是水星的运动。当时已经观测到水星转的不完全是椭圆，而是一圈一圈地稍微有些改变，叫进动。这个进动每100年大概是5000多角秒，但实测却差了40多角秒。爱因斯坦发现，用广义相对论正好可以算出来，跟上述结果一样，不需要别的解释。
■科学证明银河之外还有星系
回到17世纪上半叶，当伽利略已经认识到，银河是由很多恒星构成的。伽利略之后，有很多人开始思考：这些恒星到底是怎么分布的？
当时要测出恒星的距离殊为不易，就假定所有的恒星和太阳一样亮（现在我们知道是不对的，有的恒星比太阳亮得多），然后比较太阳和恒星的亮度之差，这个也不好说。但假定土星反射太阳光线可以是全反射，那么，根据土星的亮度，就可以估算太阳的亮度是多少。而土星的亮度跟天狼星的亮度差不多，由此可以把太阳的亮度和天狼星的亮度比较一下。由于当时已经知道亮度也跟引力一样，呈平方反比衰减，英国天文学家赫歇尔就测出了恒星的分布模型。从中可以看到我们差不多居于中心，周围分布着很多星星。
但是今天我们知道，这个图像之所以呈现出这个样子，主要原因在于天空中有很多尘埃。这也是为什么我们看不到更远的恒星的缘故。我们大体上只能看到这个区域里的恒星。当时得出的只是恒星的相对距离，还不知道绝对距离。后来通过三角视差法，测出了绝对距离。这是19世纪上半叶的事情。
此前，18世纪末，一个名叫梅西耶的法国天文学家在搜索彗星的过程中，记录了一些乍看很像彗星且很难跟彗星区分开来的弥漫天体。它们不是一颗星，而是很多星云。这些星云有些是普通的，类似于地球上的云彩，也有些很特殊，比如罗西勋爵借助大望远镜观测到螺旋星系——M51旋涡星系。他当时将其手描下来，梵高有幅名画，据说就是受它启发而创作的。对照我们今天的照片看，它的形状很有规则，所以德国哲学家康德当时猜想，这些星云就是跟银河系类似的宇宙岛。这是我们最早认识到河外星系的存在。
但是，当时只是看到了恒星或星系的位置，对它们的其他性质却不了解。1825年，法国哲学家孔德在他的实证哲学讲义中说：“恒 星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。”在那个时代、光谱分析方法还没有问世，测定物质的化学或矿物学组成，都是在实验室里进行的。
19世纪末期，美国女天文学家勒维特注意到，小麦哲伦云中的一些变星光变周期越长，亮度变化越大。后来美国天文学家哈 勃测量了很多这样的变星，证明它们确实是在我们银河系之外，这样我们就认识到宇宙里有很多很多星系。
哈勃的另外一项重要发现是星系光谱的红移。星系的光谱里有很多谱线，这些谱线有固定的波长，这是由它的元素构成决定的。
美国天文学家斯莱弗测了离我们最近最亮的25个星系，发现头4个光谱是蓝移的，就说明这个星系在靠近我们。但剩下的21个都是红移，速度也很高，以每秒几百千米的速度远离我们。哈勃当时正在揭示这个新世界，并用它来建立膨胀宇宙的概念。就是说，如果我们的宇宙不是静止的，而是整个地在膨胀那么所有的星系之间呢？距离都变远了！这就好比你在吹一个气球，吹大了以后，气球上任何两个点之间距离都在增大。
看来，我们需要重新认识宇宙。
■大爆炸理论被广泛接受但仍有许多疑问
爱因斯坦静止的宇宙学说问世后，不断有人提出质疑。其中，贡献特别大的有两人：一个是俄国数学家弗里德曼，他证明“宇宙几乎不可能是静止的”，并求得不含“宇宙常数”项的爱因斯坦引力场方程，表明宇宙实际上是无限膨胀的；还有一个是比利时天文学家勒梅特，他认为宇宙开始于一个小的原始“超原子”的灾变性爆炸。
他们都认识到，根据爱因斯坦的理论，宇宙空间有三种可能性：一种是我们大家所熟知的平直的空间；一种是像球一样的，叫正曲率空间；还有一种叫负曲率空间，或者叫双曲空间，它有点儿像马鞍，一个面是凹下去的，一个面是凸起来的。他们还认识到，宇宙可以是膨胀的，也可以是收缩的，但整体在发生膨胀；而且这个膨胀的速率，跟其物质的多少有关系的。
到了20世纪30年代末40年代初，已经提出了两种宇宙理论：一种是我们今天所熟悉的宇宙大爆炸理论，还有一种叫稳恒态宇宙理论。宇宙的大爆炸理论的主要支持者就是前面提到的勒维特，还有俄美裔物理学家伽莫夫，其理由如下，如果说宇宙是膨胀的，那么假如时间往回、往前追溯，过去的时候宇宙的密度应该很高，温度也很高；追溯到最原始的时候，宇宙就是一个无限小的点，处于极高温度和极高密度状态，这种状态被形象地称为“原始火球”。这就是他们所谓的宇宙火球理论，或者叫宇宙蛋理论。但后来“宇宙大爆炸”这个名字，是由英国天文学家霍伊尔而起。
大爆炸理论究竟对不对？是不是还有别的可能性？现在我们知道，还有其他一些证据证明大爆炸理论是正确的。第一个证据就是氦的丰度。地球上常见的元素有碳、氮、硅、氧、铝，但是在宇宙中发现，氢和氦这两种元素占了差不多百分之九十九点九九几。大致可以说，氢占75%，氦占25%，那么剩下的大概都是万分之几的，甚至几十万、几百万分之几的丰度。
氦是在恒星内部通过核反应形成的，由氢转换成氦。在不同的地方，核反应的多少不一样，所以应该有一样的密度，可实际上它非常均匀。另外，也发现不可能有那么多的恒星把所有的氢都转换成氦。
今天，大爆炸理论确立后仍面临不少问题。
其一，宇宙的组分是什么？
其二，宇宙在大爆炸以后到底是弯曲的还是平直的，到底满不满足欧几里得几何？再问：它的命运是什么？它最终会膨胀下去，还是塌缩回去？
其三，宇宙的起源是什么？最开始的时候是什么样子？为什么它会以这样的方式膨胀？
其四，星系的很多不均匀的分布，起源是什么？
其五，星系是如何形成的？对于基本粒子的物理理论而言，为什么会有四种力？它们是不是有一个更深的根源？
■新时代的“两大乌云”等待我们去探秘
星系形的图像，有一个问题就是说起源的问题。现在有一个很重要的理论叫暴胀理论，它发现在宇宙早期的时候，宇宙膨胀的速度特别快，在10的负30几次方秒之内膨胀了10的25次方以上。这种现象会导致一些很有意思的结论。
一个就是我们今天可以观测到宇宙的部分，是平直的欧几里得几何，而不是爱因斯坦所说的弯曲的几何。这实际上促使我们以一种新的思路来看待这个问题：在宇宙中，到处都在发生暴胀。一旦开始发生暴胀，原来一个很小的体积变成非常非常大了，它的速度和体积增加得非常快，那么你到底管它叫有限还是无限都不太好说了。这样说，我们这个可观测的宇宙，可能只是整个宇宙当中非常非常小的一部分，外面那些宇宙我们永远看不到。
还有一个很有趣的结论，是说在这个爆炸发生之前，在一个很小的尺度里，由于存在量子涨落，某个地方的密度稍微有点儿不均匀，然后突然一暴胀，把它拉成到整个宇宙以后，这个不均匀就保存下来了。这就是我们今天看到的微波背景辐射上温度的不均匀性。最终，它就演化成我们今天看到的星系。
如果这个暴胀理论正确，那么宇宙的可观测的部分就是平直的。20世纪80年代以来，暗物质只占宇宙能量密度的20%已广为接受。那么，如果宇宙是平直的，其密度应该是百分之百，而普通物质可能占5%，那剩下75%到哪去了？1998年人们发现，还存在一种新的东西，叫做暗能量。就是说，观测宇宙早期的超新星爆发了以后，你可以把它作为已知的亮度的东西，然后根据它的亮度，推算宇宙演化的距离尺度。这个推算结果发现，宇宙膨胀不但没有减速，而且还在加速。这个加速说明，这种新东西不是普通的物质。因为如果是普通物质，其引力会使膨胀的速度缩减，可是它不但没缩减，反而加速膨胀，所以肯定不是普通物质。
今天的宇宙的图景大概是：75%是一种我们未知的东西叫暗能量，21%是一种我们未知的东西叫暗物质，只有4%左右是我们所熟悉的由原子组成的物质。
我们还想要知道终极理论是什么？宇宙的起源是什么？以及新时代的两大乌云——暗物质和暗能量，它们是什么原理我们不知道。再有就是宇宙的历史，在知道这些东西的基础上，我们怎么样去看星系的形成和生命的产生？在宇宙当中我们人类是不是孤独的？宇宙具有什么样的条件才能产生人类？这些都是我们未来希望了解和认识的东西。
宇宙有着无穷的奥秘，人类应该永远探索下去。 好文！支持了！感谢楼主分享！
《霍金的宇宙》第一集说道：我们看得越远，发现我们不知道的越多
对于宇宙，人类还认识得很少，但好在我们是智慧生物，我们可以通过观察来分析，来解释观察到的现象
我真想活着看到这些谜底被揭开啊！ 对于人类，探索宇宙永远没有止境 给些图出来更好 本帖最后由 cyz1972 于 2010-12-16 01:20 编辑
宇宙太神奇！
最难理解是宇宙从哪里来的？好像是宇宙创造了自己！？创造了元素、生命、人类。。。宇宙本身就像一个生命体。
那我们是否可以理解在她所创造出来的所有产品中应该都蕴藏着一个共同的“DNA”，这个“DNA”就是最终答案。呵呵，记得有看过书上说，我们已经把望远镜反过来使劲看看微观世界，那里有宇宙的基本组成单位。微观世界距离我们不比外太空近。
人类作为宇宙的一种产物（进化中的一个阶段），产生了高级思维，已经在尝试理解宇宙本身，并试图控制宇宙，这是不是出乎宇宙本身的预料。
不知道宇宙会不会在人类即将揭开宇宙谜底之际“拔掉人类的电源”。::070821_02.jpg:: 有所受益！！！ 这样说，我们这个可观测的宇宙，可能只是整个宇宙当中非常非常小的一部分，外面那些宇宙我们永远看不到。
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这个一直是俺的观点，呵呵 支持下陈老师～
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