沌初開
——揭開宇宙學的神秘面紗
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，珠海北大附屬實驗學校邀請中山大學物理與天文學院博士生導師黃志琦教授，在高中部報告廳舉辦一場題為“混沌初開——宇宙背景微波輻射”的科普大講堂，高一年級同學們聆聽了一場來自科學前沿的理論盛宴。
黃教授的講座分為四個部分：宇宙的尺度和構(gòu)成、宇宙背景微波輻射、第一推動力從何而來？未來會怎樣？他根據(jù)高中生的知識水平，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，宇宙學基本是個宗教和哲學問題。隨著觀測技術(shù)的進步，有些現(xiàn)象無法解釋，如水星進動、光線經(jīng)過恒星附近時的彎曲、星系外圍恒星運動速度、超新星測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，當溫度降到太陽表面溫度的一半時，“混沌初開”，宇宙變得透明。
宇宙背景微波輻射（CMB）的預言于1950年被兩位科學家提出：宇宙的外殼只有幾K，1964年在射電望遠鏡噪聲中意外發(fā)現(xiàn)了約3K的背景輻射，1990年1月美國天文學會的一次會議上，展示了一張衛(wèi)星觀測的CMB譜和預言的黑體譜完全吻合，精確計算再次得到了觀測驗證。2.73K的宇宙背景微波輻射雖然非常均勻，但在各個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，宇宙被展開在同學們面前，令人驚異。
關(guān)于極早期宇宙的猜測，黃教授提到真空不空的概念，場無處不在，每種場對應一種粒子（或一對粒子）。各種粒子的場都“住”在四維空間里，如果時空結(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論還是無法統(tǒng)一。霍金以及一批俄羅斯科學家發(fā)展起來一種在特殊情況下，可以從平直時空外推到彎曲時空的計算方法，十分管用。GPS衛(wèi)星定位就是這種理論的現(xiàn)實應用?，F(xiàn)在的宇宙學模型只有6個自由參數(shù)，我們已經(jīng)檢查了數(shù)百億個觀測數(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，讓同學們感覺在聽“天書”，但把“天書”說得好，展現(xiàn)了博導的水平。這是人類智力的大考驗，需要99%科學家的失敗方能幸運獲得突破。自上世紀80年代以來，宇宙學只能做修修補補的工作，可觀測宇宙有130億年的歷史，人類如恒河沙數(shù)，但是不會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)物理學前沿的問題。
會后，同學們到操場參與了中山大學物理與天文學院學生們組織的科普活動，一個個書本上的物理定律被生動直觀的小實驗、小游戲演示出來，可觸可感，激發(fā)思考和動手能力。
學習通道全面打開，珠海北大附屬實驗學校引進國內(nèi)一流的教學資源，整合國內(nèi)最尖端的學術(shù)專家，為學生們愛科學、學科學、用科學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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