郭冰：探索宇宙的奥秘 恒星的前世今生

郭冰 中国原子能科学研究院核物理研究所所长，研究员、博士生导师

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提到宇宙，我们会想到什么？比如恒星，宇宙里有很多像太阳这样的恒星；比如空间站，那是我们人类前往太空生活的第一步；比如神秘的黑洞、外星人……近年来，关于宇宙的科幻电影和小说也是十分受欢迎的：《2012》讲述了一个关于玛雅预言、地球末日的故事，设想了一个太阳活动突然加剧的故事背景，由此产生出的很多中微子导致了地球核心的加热、融化，最终引发了大海啸。当然，这是一个科幻的想象，中微子尽管是天体物理研究中的重要内容，但与物质的相互作用概率是非常低的，也正因如此才被称为宇宙的信使，为我们带来了宇宙深处的信息。《星际穿越》的故事中，主人公在乘坐宇宙飞船进行星际航行时，遭遇了宇宙中最神秘的天体——黑洞，并为我们展示了关于黑洞的科幻想象。作为一部优秀的国产科幻电影，《流浪地球》取得了巨大反响，使2019年被誉为中国科幻电影元年，讲述的是太阳到了“晚年”并开始燃烧其中的氦元素，将会使地球所处的位置不再适合生物生存，于是人类要“带着地球去流浪”，寻找新的家园。著名科幻小说《三体》，描绘了一个生存在由三颗恒星组成的极不稳定的聚星系统之下的文明，发现了4光年之外的地球，并引发了星际文明之间冲突的背景故事。

可以说，宇宙是人类科技探索的最前沿，是科幻作品生生不息的题材。那么，我们今天的话题也将从宇宙开始。

一、宇宙的诞生

宇宙是什么？其实宇宙就是一切，从微观粒子、原子核、中微子到最大的恒星系均囊括其中，甚至超越了人类目前所掌握的知识范围。宇宙是我们能看到的和所知道的一切，包括物质、能量、时间和空间。尽管我们知道，宇宙正在不断膨胀，但是仍然不清楚宇宙到底有多大。1916年，爱因斯坦提出了广义相对论，时至今日仍对我们研究宇宙起着非常重要的作用。宇宙是什么形状？爱因斯坦认为，宇宙的形状有可能是闭合的圆球形、马鞍形或像纸一样平坦的。当然，这些观点目前都只是科学的猜想，并没有得到证实。

提到宇宙，我们也就必然要提到“光”。我们在丈量距离时，通常是用米、公里等单位，但是用这些单位丈量宇宙中的距离是远远不够的，所以就需要用到光年。光是宇宙中最快的东西，其每秒的速度为3×108米，相当于1秒就可以绕地球7.5圈、1.3秒就可以从地球到达月球。所以，我们现在主要用光年来衡量宇宙间天体的距离，即光一年能够穿越的距离。

宇宙的组成主要有三个部分：一是普通物质，二是暗物质，三是暗能量。普通物质包含了目前我们所已知的关于宇宙的一切，如所有的行星、恒星、星系等。但是，这一部分物质只占了宇宙的5%左右。暗物质是我们看不见、摸不着，目前没有找到，但是有迹象表明其存在的，占了宇宙的25%左右。那么，剩下的70%左右则是更加神秘的暗能量，也是我们的宇宙加速膨胀的原因之一。

关于宇宙演化的理论，存在一个发展的过程。1922年，苏联物理学家弗里德曼首次阐述了爱因斯坦的引力场方程存在非静态的解，推导出宇宙是一个从未停止变化的动态宇宙，从而引入了“宇宙膨胀”一词，这就是早期的宇宙膨胀理论。在宇宙膨胀理论提出后的很长一段时间内，科学界对其“不屑一顾”。爱因斯坦也对这一理论持怀疑态度，认为动态宇宙是不合理的，于是便在引力场方程中又强加了一个“宇宙常数”，以维持静态宇宙的计算结果。英国天文学家霍伊尔也是宇宙膨胀理论的反对者。有意思的是，大爆炸理论，不仅名称来自霍伊尔，广为人知也是因为他。

不过，到目前为止，我们已经发现了三个实验证据，足以证明宇宙大爆炸理论的正确性：一是谱线红移。1929年，哈勃发现了一个惊人现象：不管你往哪个方向看，远处的星系正在急速远离而去，这就是谱线红移（波长变长）现象。换言之，宇宙正在不断膨胀。如果追溯到足够遥远的过去，我们就会发现在某一时刻，宇宙中所有的物质刚好集中在同一地方。所以，哈勃的发现暗示了一个创生宇宙初始时刻的存在。得知这一消息后，爱因斯坦很快来到威尔逊天文台，在哈勃的带领下亲自观测了星系的谱线红移现象。访问结束后，爱因斯坦公开承认了自己的错误，并去掉了引力场方程中的“宇宙常数”，于是就有了我们今天所熟知的爱因斯坦场方程。谱线红移现象的发现，是对宇宙大爆炸理论的有力支持之一。从此，天平逐渐从稳恒态宇宙模型向大爆炸理论倾斜。

二是宇宙的氦元素丰度。宇宙中最轻的元素是氢，氢气容易着火、爆炸，而氦气则更为安全、不易着火，相比之下是第二轻的元素。我们发现，恒星中产生的氦元素，远远不能解释宇宙中为什么存在这么多的氦。后来，苏联物理学家伽莫夫提出了著名的原初核合成理论。这一理论是大爆炸理论的一个支撑与延伸，即认为在宇宙大爆炸之后最初的几分钟时发生了核合成。换句话说，在第一代或者说第一颗恒星产生的宇宙大爆炸后5亿年左右之前，仅仅是大爆炸后的几分钟，核合成已经产生了如此多的氦，进而很好地解释了宇宙中的氦元素含量，成为大爆炸理论的又一例证。

三是微波背景辐射。在上述两个证据之后，很多人仍然反对宇宙大爆炸理论，比如认为如果宇宙真的存在大爆炸的话，时至今日、演化多年，应该存在温度为3K左右的微波背景辐射才对。巧合的是，1964年，美国贝尔电话公司的年轻工程师——彭齐亚斯和威尔逊，为改进卫星通信建立了高灵敏度的接收天线。一天，他们在调试天线时测量到一种无线电干扰噪声，就像以前电视机的“雪花”一样，想了许多办法却始终无法去掉。他们在转动天线时，发现噪声强度保持不变，推断其不是来自太阳系、银河系或某个河外星系的射电源。经过详细分析和计算，他们得出结论：这一噪声的背景温度接近2.7K，正是大爆炸理论中的宇宙微波背景辐射。

如今，我们根据宇宙大爆炸理论，知晓了宇宙的诞生大概是什么样子的：宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸，时间、空间都在这一瞬间产生。宇宙诞生于一个密度非常大、体积非常小的奇点，然后在不到1秒的时间内变成一座城市般大小，且其温度随着不断膨胀而降低。大约5亿年后，宇宙的第一代恒星和星系开始形成。90亿年后，我们的太阳系开始形成。138亿年后的今天，我们的宇宙仍在不断膨胀中。