114｜冯珑珑：电视屏幕的雪花点，竟有1%宇宙大爆炸留下的余晖｜中国科学院紫金山天文台首席研究员、中山大学物理与天文学院｜格致SELF

电视屏幕的雪花点，竟有1%宇宙大爆炸留下的余晖

我们都知道，138亿年前宇宙曾经发生过一次非常剧烈的爆炸。

宇宙原初非常热，有一些高能量的光，爆炸冷下来后，仍有一个像海洋般的光辐射，这就是大爆炸的余晖。

难以置信的是，当现在我们打开电视，手动调到一个没有信号的频道，会发现一片雪花点..

演讲者：冯珑珑 中国科学院紫金山天文台首席研究员、中山大学物理与天文学院教授

今天我想通过天文中的一些现象，给大家解读关于宇宙演化的一段历史。

　　首先给大家看一张银河系的照片。这张照片拍摄的地点在青海的冷湖地区，那里是一片无人区，有18000平方公里。

　　这张照片是我的同行邓李才研究员拍摄的。我们当时是为了去西部选址，想为未来要建设的天文台找一个落脚的地方。

　　大家一定会好奇这张照片是用什么设备拍的？这张照片是用一个国产的非常小众的手机拍摄的，我觉得非常震撼。

　　下面我再给大家演示几张用最先进的哈勃空间望远镜拍摄出来的，宇宙中一些特别壮观的场景。

　　我们先看几张充满浪漫色彩的照片。

　　这张叫“一箭穿心”。大家能看到一个很大的圆环，圆环中心有一块非常红的部分，实际上是一个星系。

　　另外有一个小星系就像丘比特的箭一样，一下子就穿过去了，在这个星系当中激起了阵阵涟漪，最后形成了周边一些非常漂亮的图案。

　　另外一张叫“纠缠不清”。大家可以看到，这是两个纠缠在一起的星系，每个星系和银河系一样，里面包含着千亿颗像太阳一样的恒星。

　　这两个星系很多年前曾经发生过一次非常近距离的接触，但是后来又分开了，它们最后的命运是通过碰撞过程汇合在一起，我们称为合并。

　　有趣的是，这两个星系在纠缠过程中，也在孕育新的生命，在它们的交合处，有大量新的恒星在不断生成。

　　上面两张照片展示的是比较浪漫的场景，我再给大家看一个比较剧烈的场景。

　　这张照片叫“弱肉强食”，实际上就是一场星系的战争。

　　宇宙中不断发生着这些故事。一个很大的星系不断吞噬周边一些小的星系，如果有一个跟它差不多大小的星系，它们碰在一起，最后的结局就是两个星系并合起来。

　　如果把每一个星系看成一个点，天文观测对整个宇宙做一次普查，我们会看到以下场景。

　　这是美国SLOAN（斯隆）基金会赞助的巡天计划给出的非常漂亮的宇宙星系的分布动态图，我们把它称为宇宙网络。

　　这当中有很多纤维结构，还有一个长城结构，除此以外还有一些非常大的空洞结构，这些空洞结构都是上千万光年以上的量级。

　　天文学一个很重要的领域，就是用物理学的方法，去研究这些结构是怎么形成的。

　　在人类历史上所有的文明中，大家都认同一个观点，所有事物的发展都是由简单到复杂。

　　这个观点实际上是一种演化的观点，在老子的《道德经》中就可以看到。《道德经》中说“道生一，一生二，二生三，三生万物”。

　　有了演化观，就可以完全不用纠结“鸡生蛋、蛋生鸡”的问题，一切都是从演化来的。

　　目前，我们从这个观点来研究宇宙的演化，有一个重要的框架大家可能都知道。很多人都看过《生活大爆炸》这部电视剧，也译作《大爆炸理论》，这里面有一群奇怪的物理学家，他们发生了一些比较有趣的故事。前面提到的框架其实就是指宇宙大爆炸的理论。

　　宇宙大爆炸大家都已经听说过了，138亿年前，宇宙中曾经发生过一次非常剧烈的爆炸，爆炸以后，整个宇宙的温度非常高，随着宇宙的膨胀，温度不断降低。

　　下面我讲两件事。

　　第一件，宇宙曾经发生过一次暴胀。暴胀的概念用英文来表达的话是Inflation，这个词的另一个含义是通货膨胀。

　　通货膨胀会导致人们之间的贫富差距都消除了，大家都变得一样贫穷。由通货膨胀是由谁来发动的这个问题，我们联想到宇宙暴胀是怎么发生的。

　　另一件，宇宙原初非常热，有一些非常高能量的光，它冷下来以后，有一个像海洋一样的光的辐射，这就是大爆炸的余晖。后面我会讲跟这两件事相关的事情。

　　是什么驱动了宇宙的暴胀呢？物理学家找到一个叫φ的家伙，它是发动暴胀的根源，驱动了宇宙暴胀的过程。

　　驱动完之后，它好像感觉心里很不爽，就像喝醉酒的醉鬼一样从山顶往山底滚，滚的路线就是一个随机运动，最后滚出来一个稀奇古怪的形状。

　　我们现在能看到在宇宙的那个充满辐射的、完全光子的海洋中，就会留下这个痕迹。

　　这个海洋是什么样的海洋？它的光的频率是在微波波段，和我们的微波炉一样，只是它整个强度太低了，不能把我们“烤熟”。

　　前面提到的φ这个醉鬼，它随机行走留下来的痕迹，天文学家和物理学家通过最高精度的卫星，已经看到了。图中发蓝的地方以前温度稍微高一点，红的地方温度稍微低一点，中间的差别其实非常小。

　　虽然通货膨胀把大家的贫富差距都消除了，最后就留下来一点痕迹，这个痕迹的差别是十万分之一，但是这十万分之一非常重要。

　　如果没有φ这个醉鬼走的这条路线，就形成不了我们刚才看到的宇宙当中的万千景象，形成不了星系，形成不了整个星系团的结构，也形成不了人类。

　　我刚刚说的微波的东西大家回家就能看见。我们经常通过这些微波的线路传输一些电视的图像，大家可以回家以后打开电视，手动方式调到一个没有电视频道的地方，会发现一片雪花点，在这片雪花点当中，有1%的雪花点是宇宙大爆炸留下来的余晖。

　　天文学家用更精密的手段可以测量出，这个余晖不同角度之间的差别，就是十万分之一，这就是产生现代人类、产生整个宇宙的一个种子。

　　这个种子怎么发展成我们现在的宇宙的？

　　整个宇宙演化的模型，被称为和谐宇宙模型。

　　要想生成宇宙的这些结构，首先要有物质。这些物质是什么呢？暗物质、暗能量，还有一个最重要也是最少的物质，是原子。

　　原子也是一种发光的物质，是组成我们人体、地球、太阳，还有我们看到的这些星系的物质，它只占了4%左右，所以整个宇宙是个暗宇宙。

　　宇宙学的一个观点是演化观，即从大爆炸慢慢产生，由前面提到的φ场来驱动。

　　其实这里面还有一个机制，叫做引力不稳定性。

　　这个概念可以这样理解，如果有一群人一起掉到一个冰窟窿里面，因为冰水很冷，大家最后肯定要抱团取暖，宇宙当中所有的物质也是按照这种方式形成的。

　　当所有物质的温度变得很低的时候，它们就紧紧地聚集在一起，甚至之间可以发生核反应，就像太阳一样，这就是引力不稳定性。

　　有了这个机制，我们还需要有相应的组织原则，我们不能用大的类似托拉斯的东西，然后再搞垄断把它分裂掉。

　　我们先从小的做起，先形成小的结构，再形成大的结构，这些结构会发生并合，这种结构不断增长，最后形成宇宙中非常大的星系、星系团。

　　这张图显示的，就是我们现在所能看到的所有结构，从星团到矮星系到星系，还有星系组成的星系团。

　　天文学家想知道这些星系是怎么形成的，如何去理解这些结构。这个问题想想就觉得很复杂。

　　一个星系有千亿颗恒星，又有上千亿个这样的星系，组合在一起，要去理解这个结构非常难。我们现在也是采用由简入深的方法进行理解。

　　在座的各位有没有人认识这块表？这是瑞士一个奢侈品牌的表，中文名叫宇舶，它是科学和艺术的结晶，非常漂亮。

　　这块表的整体设计理念，大家知道是从哪儿来的吗？

　　这是一个安提凯希拉装置，这个装置是在罗德岛附近一艘2000多年前的沉船中找到的。

　　通过X光扫描后，大家发现安提凯希拉装置的结构非常复杂。这里面有37个齿轮，最大的一个齿轮有235个齿，齿轮之间有很复杂的联动和咬合结构。

　　这种结构人类在1000年以后才造出来。为什么古希腊就造出来了？它采用这种小的齿轮结构是干什么的呢？

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