时间：2019年3月23日（星期六） 10：00-12：00
地点：广州图书馆负一层2号报告厅
主讲人：冯珑珑（中山大学物理于天文学院教授、博士生导师）
对遥远星空的好奇探索和人类的发展历史一样源远流长，它催生了天文学的萌芽，也引导人类对宇宙的认识步入理性的轨道。
何为宇宙？
先看看中国古代学者是如何说的？
《尸子》说：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。” 认为宇宙就是上下四方的空间，和古今所有时间的集合，这是迄今在中国典籍中找到的与现代“时空”概念最好的对应。
《管子·宙合》说：“天地，万物之橐；宙合，有橐天地。” 天地，是万物的口袋；宙合（空间）又是天地的口袋。这是宙的概念。
西汉扬雄《太玄·玄摛》说：“阖天谓之宇，辟宇谓之宙。”以浑天之天形为球壳而言阖辟，则以宇为天之内，而宙为天之外。
王羲之说：“仰观宇宙之大，俯察品类之盛。”这是比较宏观的说法。
西方最早比较系统地描述宇宙起源和神的谱系的作品是古希腊游吟诗人赫西俄德的《神谱》，对纷繁复杂的希腊的早期神话进行统一，以奥林匹克神系为归宿，把诸神纳入一个单一的谱系，是前科学时代的宇宙学。
赫西俄德
Hesiod (约 750 -650 BC)
诸神起源图
在最早的西方文化中，神都是跟自然现象有关的神，如天空之神、海洋之神、大气之神等，并用这种方式来解释宇宙的起源。到了宙斯之后，就出现了很多跟人文有关、社会有关的神，如战神雅典娜、美神、月亮之神等。神谱给了神、人和宇宙的起源说、进化论，通过系统演化的内部动因，主导命运，是希腊文明中重要和突出的主题。
这种主导命运的主题尤其体现在古希腊的悲剧中，比如古希腊悲剧之父埃斯库罗斯的《被缚的普罗米修斯》，索福克勒斯的《俄狄浦斯王》《安提戈涅》等。古希腊悲剧没有善者之分，没有好人坏人之分，所有的悲剧都是不可抗拒的命运悲剧，实际上古希腊悲剧烘托的一个主题是人的自由意志和命运之间的抗争。
科学哲学家怀特海说，古希腊伟大的悲剧家是今天所存在的科学思想的始祖，他们认为命运是冷酷无情的，驱使着悲剧性事件不可逃避地发生。希腊悲剧中的命运成了现代思想中的自然秩序。古希腊悲剧是近代科学的起源。
阿尔弗雷德·诺斯·怀特海
Alfred North Whitehead, 1861-1947年
西方宇宙观中有一种概念叫COSMOS，它的含义是秩序和和谐，这个概念跟我们通常理解的宇宙概念完全不一样，我们原来讲宇宙概念是万物的概念，而这里强调的是秩序、和谐，强调物质背后最隐秘的法则，这是非常重要的升华。这种从现象学到形而上的提升是古希腊哲学中最重要的概念-逻各斯（logos），这是具有神秘色彩的哲学范畴，迄今为止逻各斯的概念很难准确地全面解读。它是通向智慧的桥梁，是理解宇宙的一种方式。而Cosmos和Logos的结合成为Cosmology，这就是现代意义上的宇宙学。我们今天讲的宇宙学，并不是讲现象学上的表观，而要研究宇宙背后的秩序，研究它的规律。整个物理宇宙学就是要用自然科学的方法，研究宇宙大尺度的行为。
而在物理背后的一种动机，是人类文明延续至今的一种古老传统，这就是企图理解宇宙及我们从何处而来，将向何处去，为什么？相关的问题还包括，宇宙有多老，多大，多重？宇宙的形状和结构，宇宙有中心吗，有边界吗？宇宙是由什么组成的？宇宙的结构是如何建造的？宇宙是亘古不变还是演化的？宇宙中有很多人类的家园吗？宇宙为何存在？这就是宇宙学渴望回答的问题。
宇宙从哪而来？
古希腊一个很小的城市米利都，在这里诞生了自然科学奠基的第一人——泰勒斯，他点亮了人类文明的理性之光。泰勒斯摈弃了创世神话中的超自然神灵概念，致力于用自然原因来阐述万物的本源，奠定了现代理性科学的自然哲学基础。泰勒斯在观念上的一个重要突破是，他认为所有自然发生的现象，都是由自然原因造成的，和超自然的神秘力量无关。泰勒斯的本体论模型就是万物起源于水。泰勒斯首次给出天文现象日食的预言，根据几何学原理测量金字塔的高度。
泰勒斯
Thales (约 624 - 547 BC)
希腊哲学文化中诞生很多宇宙模型学说，比如毕达哥拉斯强调宇宙当中存在和声，认为万物的本质是数；柏拉图认为几何统治宇宙万物。
希腊文明的集大成者是亚里士多德。他的一个有名的论断就是宇宙的真谛存在于宇宙自身。在亚里士多德的本体论中，物质的本源是永恒以太和四种基本元素-水、火、土、气。而物质的运动形式有天然运动、受迫运动和圆周运动三种形式。关于运动的原因，亚里士多德第一次引入了物理学的重要概念，既力的概念。亚里斯多德的宇宙学模型就是在古希腊时期占主导的地心说。
亚里士多德
Aristotle (约 384 - 322 BC)
之后，托勒密建立了完整的地心说体系，他的《至大论》是古希腊天文学之大成。《至大论》可以很好地预言日月及五星的运动轨道，可以预言月食和日食的发生。托勒密的学说是历史上第一个可计算的宇宙模型，是天文观测和理论相结合的一个典范，是希腊文明留给我们最重要的遗产。
托勒密
Ptolemy (约100-170AD)
到了哥白尼时代，他在临终前发表了一本《天体运行论》，提出日心说假设。事实上，人类历史上最早的日心说可以追溯公元前三世纪古希腊的天文学家阿里斯塔克，他在日食、月食等天文现象观测的基础上，结合希腊几何学的推理，判断太阳比地球的体积大近300倍，在日常经验上很难想象一个大的东西绕着一个比它小很多的东西旋转，由此他提出地球围绕太阳转动的日心地动观点，可以被认作哥白尼的先驱。
尼古拉 哥白尼
Nicolaus Copernicus (1473 - 1543)
有几位必须提及的最重要的科学家，第一位是第谷布拉赫，他是近代天文学的奠基者，开创了高精度天文观测之先河。第二位是开普勒，他在天文观测的基础上，发挥其在数学推理和综合的能力，给出行星的三大运动规律。第三位是伽利略，他是现代实验科学的开拓者和奠基者。
上帝给人间投三个苹果，第一个苹果是亚当和夏娃，象征着激发人类潜在的欲望，探求未知奥秘的好奇心；第二个苹果是苹果树下的灵感，奠定了整个现代物理学的基础，也是工业化革命时代的开端；第三个苹果是乔布斯，这是信息化时代的标志，也是现代技术和文化相结合的最重要象征。
牛顿的统一理论，他把天界和地界的运动规律统一起来，他否认了原来亚里士多德说的天上和地上的物体遵从不同的运动规律，认为天上和地上运动规律全部是一样。那天为什么不会掉下来？天上的东西不会掉下来是因为它具有足够大的横向运动速度，尽管地球的引力提供了一个向下的运动趋势，但下落运动和横向运动的合成使其成为围绕地球的圆周运动轨道。但物体如何获得横向运动速度，牛顿将其归结为上帝的第一推动。如何给出第一推动的物理学解释正是宇宙学和现代物理学发展的最重要推动。
在十九世纪一个最重要的理论，是电、磁和光的统一理论，这跟我们的生活都密切关系，手机、相机，只要跟电有关的东西，都是基于麦克斯韦的经典电磁理论。
还有一个和我们日程生活密切相关的是热力学理论，它是蒸汽工业时代最重要的理论依据，其中一个最重要的物理学定律就是玻尔兹曼的熵增率，它用来描述孤立系统的演化。
关于时空理论，是二十世纪初爱因斯坦建立的，时空和引力的统一理论。
在20世纪初，宇宙观测最重要的发现是美国的天文学家哈勃，他发现了“宇宙速度计”：当光源远离我们而去时，看上去其颜色变红；而当光源迎向我们而来时，其颜色则变蓝；光源的运动速度越快，颜色的变化就越明显。
爱德文·哈勃
Edwin Powell Hubble（1889-1953）
哈勃发现所有的星系的颜色都是变红的，就是说所有的星系都是远离我们而去，并且远离的速度和我们的距离成正比。如果能把颜色的变化测出来，就能把速度测出来，速度测出来以后，就能把距离测出来。根据哈勃定律，用这种方法就能测出来非常遥远的星系的距离。通过这个就发现宇宙的膨胀，所有的星星都是远离我们而去，这是他最早通过天体的颜色可以判断出来的。
有部大家熟悉的电视连续剧《The big bang theory》，片名就取自宇宙大爆炸理论。该理论是俄罗斯物理学家伽莫夫最早提出的。
宇宙大爆炸的基本图像是整个宇宙诞生于137亿年前的一次宇宙剧烈爆炸，在爆炸当中诞生了时间、空间、宇宙万物。
宇宙大爆图
到了60年代，美国第一颗卫星上天以后很快发展了第一代通讯卫星，而提高通讯质量的重要一环就是将各种接收天线的噪声降到最低。贝尔实验室的无线电科学家Penzias和Wilson为此专门建造了一台喇叭口形的天线用卫星通讯的实验。他们最早注意到有些噪音虽然很小，但总是无法去除。这个噪声是在非常低的微波频段，这个频率对应的温度，用绝对温度来讲相当于-270度左右，也就是3度K，几乎达到绝对零度的温度。Penzias和Wilson对宇宙微波背景辐射的意外发现，使大爆炸宇宙学得到观测上的支持，成为现代宇宙学的基石。
宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的重要遗迹。宇宙原初的温度非常高，随着宇宙的膨胀，所有的气体温度都会慢慢降低，光的辐射温度也会随之降低。而演化至今最终形成温度为3K的全天微波背景。我们的宇宙就像在一个巨大的微波炉之中。
Penzias 和 Wilson 获得1978年诺贝尔物理学奖
我们在日常生活中能看到宇宙大爆炸留下来的遗迹吗？有趣的是，可以！打开电视，调至一个没有电视频道全是雪花点的频段，这里差不多有1%的雪花就是由宇宙大爆炸遗留下来的产物。
或许有人会问，我们之间是不是也在膨胀？答案是肯定的。我们两个之间的距离也存在膨胀，只是膨胀的距离非常小，几乎看不见，之外，在小尺度上，还存在物体之间引力产生的自由下落，宇宙的膨胀完全可以忽略不计。在谈及宇宙的膨胀上，所涉及的尺度是百万光年，只有在这种尺度上，才有这种大规模的膨胀运动。
宇宙有多大？
关于宇宙有多大，有两种测量方法。一种叫标准烛光方法，发光体的视亮度和距离平方成反比，对内禀光度已知的天体，其距离可通过测量其视亮度获得。还有一种叫标准尺方法，物体的视大小和其离开观测者的距离成反比，对标定尺度的物体（如交通中的“STOP”标志），其距离可通过其视大小测定。这是天文学家两个最重要的常规方法。
宇宙有多老？
有一种直接估计简单的估计宇宙年龄的方法。我们知道，距离等于时间乘以速度。而我们也有一个Hubble定律，星系的运动速度和其距离成正比，用距离除以速度就是宇宙的年龄。这种方法给出的宇宙年龄估计值是138亿年。
还有一种办法来算宇宙年龄，我们说宇宙中没有任何东西比宇宙还要年老，那就找宇宙当中最老的东西，像考古一样，人类历史文明发明有多远，就要寻找最古老的遗迹。而对宇宙而言，我们的目标就是搜寻宇宙远古时代的恒星，通过哈勃空间望远镜，天文学家确实找到了一颗非常古老的恒星 - HE 1523-0901，它是一颗位于天秤座的红巨星，在银河系内，距离地球大约7500光年。它被认为是一颗星族II贫金属星, 为目前发现年龄最老的恒星。
宇宙有多重？
这是一张夜幕下的地球，左边是美洲大陆，右边是非洲大陆。我们可以通过估算发光的强度估算人口的数目。同样的手段，天文学家可以通过天体的光度估算其质量。还有一种测量质量的方法是通过测量旋转速度。根据牛顿经典力学我们知道，由旋转速度可以推算中心引力源的质量，正如我们可以从行星运动速度推算太阳的质量。然而，这两种方法测量的结果具有显著的偏差，在很多场合，由速度测量得到的质量往往高于通过光度估计所得到的质量。事实上，在用发光强度推算人口时我们做了一个潜在的假定，即人类的文明程度是一样的，也就是说每个人拥有的光照强度大致是相同的。但一种可能的情形是，对欠发达或贫穷地区，这种对人口的估算有明显的偏差。基于这种考虑，天文学推断出宇宙中存在大量不发光的物质，被称为暗物质。
以上是我们所得到的银河系的物质分布图像，银河系被一个很大的暗物质晕所包围。
本世纪还有一个重要的发现：宇宙加速膨胀。用超新星宇宙学的方法，我们发现遥远超新星比我们原来想象的要暗，那就表明它处在更远的距离上，它意味着宇宙曾经跑得更快。天文学通过这种方式，最终证实宇宙实际上是在做加速膨胀。
爱因斯坦曾经承认过自己所犯的最大的错误就是提出宇宙学常数，引进这个常数的基本出发点是维持一个亘古不变的静态宇宙，这是西方文明固有的一个传统观念。但我们要说爱因斯坦的错误也是一个伟大的错误。近代的宇宙学研究发现，宇宙学常数并没有错的那么离谱，它总能为解释宇宙学的一些疑难问题提供意想不到的解决方案。在过去的宇宙膨胀图景中，宇宙中物质之间的万有引力作用会使宇宙的膨胀速度越来越小，也就是所谓减速膨胀。但是超新星的观测告诉我们，宇宙的膨胀并没有减速而是越来越快。这个加速膨胀的图景似乎暗示着宇宙中存在着某种神秘的能量，也就是所谓暗能量，它能够抵消引力作用推动整个宇宙做加速膨胀。
在现代天文观测基础上发展的宇宙学模型被称作“和谐宇宙模型”，它有三个基本理论构成。第一是关于宇宙中的物质组成，我们称为“三个代表”，首先是发光的物质，它只占宇宙中全部物质的4%，还有两个黑暗成分，一个是暗物质，占23%，另一个就是暗能量，占73%。第二个宏观上说就是科学发展观，这里是指宇宙的膨胀演化，宇宙中丰富多彩的万千世界是由简单到复杂演化而来，而膨胀背景提供了发展的驱动。第三个重要的机制就是引力不稳定性，一个稳定的宇宙是平庸的，而引力不稳定性是产生宇宙万千景象和大尺度结构的种子。
宇宙的最终命运
在引入暗能量以后，宇宙的命运最终会怎么样？ 根据现代宇宙学，我们可以推断这样的场景。
第一个会发生的事情是大约40-50亿年以后，银河系会和仙女座星系发生一次碰撞，这两个星系的碰撞是宇宙中最壮观的现象。如果那时人类文明还在延续，无需担忧，这种碰撞对寻常百姓的生活毫无影响，因为这是两个星系帝国之间的战争，它只改变星系尺度上的统治版图。
接下来出现的场景是，如果宇宙一直加速膨胀下去，遥远的星系在经过千百亿年的膨胀之后，我们今天所能看见的星系都会退行到我们的视界之外。那时，除银河系和仙女座星系并合产生的本星系外，整个遥远的天空将一片黑暗，整个宇宙的图景又将回到十九世纪赫歇尔的“宇宙岛”，我们重归孤独之中。
一个似乎更悲观的假设是，如果人类文明在某一次战争或者某一次宇宙的剧烈爆炸事件中被彻底毁灭。我们关于宇宙学的知识就此终结了吗？根据现代宇宙学所做的直接推断是，居住类太阳系的居民可以出现哥白尼，但是没有足够的理由提出宇宙学原理；他们可以通过引力的精确测量发现广义相对论，但他们中间却产生不了哈勃。因此，在对宇宙的认知出现缺陷的未来，重建大爆炸宇宙学的理论几乎是一件不可想象的事情，未来的文明将永远无法知晓宇宙演化历史的真相！
未来天文学家对星空的观测，同样不能建立完整的恒星演化理论，不能解释“宇宙岛”的结构形成，更无法破解宇宙中物质的起源。不过有趣的是，仅仅依据引力理论，未来的天文学家做出的末日预言将一语成谶。他们眼中的世界——“宇宙岛”，也就是我们今天所说的超星系，将在一声巨响中轰然坍塌，形成一个超巨型黑洞。然而，他们至死都不知道远处的宇宙并没有消亡，而是在一个神秘力量的驱动下加速膨胀。听起来这是个令人伤感悲情故事的结局。
回到今天，我们自然要问，为什么现在的宇宙如此特殊？哥白尼革命导致人类从宇宙中心的撤离，但却换来一个宇宙特殊时间的窗口。如果引入人择原理，智慧生命的出现或许本质上就是一种选择效应，我们无法摆脱超越时空的人类的优越感。
赫歇尔的“宇宙岛”
我们赖以生存的地球在太空中是个暗淡的蓝点，它如此之小，却又如此特殊。在地球上诞生了多样性的生物世界，诞生了人类，它历经了漫长的演化，历经了优胜劣汰，而今天我们又来到这个世界，这是非常难得的机遇和巧合，我们的百年生命和宇宙138亿年相比，真的是转瞬之间，这难道不是充分的理由，让我们更加珍惜生命，珍惜现在所得到的一切，也珍惜身边所有的人。
诚如康德说，有两种多少，我们对它们的思考越是深沉和持久，它所唤起的那种惊奇和敬畏就会越来越大地充溢我们的心灵，这就是繁星密布的苍穹和我心中的道德律。
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