宇宙到底是如何構成的？這個問題困擾了人類千百年的時間。按照目前宇宙物理學的理論，宇宙起源於一場宇宙大爆炸。宇宙的形成是目前人類的終極問題，對於宇宙大爆炸的探索，科學家們是否已經有答案了呢？宇宙是如何膨脹的？宇宙有可能還會再爆炸一次嗎？暗物質又如何被發現？人類是否將會陷入永恆的孤寂？關於宇宙大爆炸，你不知道的，想知道的，盡在《理性派對 新科技發布廳》第六期！
宇宙真的起源於一次大爆炸嗎？證據是什麼
吳寶俊：宇宙誕生於137億~138億年前的一次大爆炸，是不是真的？怎麼確認宇宙真的來自於這麼一個大爆炸呢？
黃慶國：在理解宇宙的過程當中，理論非常重要。一百年前，愛因斯坦提出「廣義相對論」之後，進一步提出了宇宙學基本原理，標誌著現代宇宙學的開端。
吳寶俊：這個基本原理是什麼？
黃慶國：地球是太陽系裡的一顆行星，繞著太陽做近似的周期運動。太陽系是銀河系中一個很小的恆星星系。一個系統如果足夠複雜，反而會有一些很簡單的規律呈現出來，這是現代物理學一個很重要的思想。
因為宇宙如此複雜，我們發現宇宙在很大尺度上，可能是均勻和各向同性的，這就是宇宙學原理。
吳寶俊：均勻就是均質的，和咱們普通老百姓理解的均勻是一樣的。各向同性是指的是各個方向都是等同的，沒有特定的方向取向。
黃慶國：宇宙學原理告訴我們，宇宙中沒有特殊的點，每一個點都是平等的。
我們看到北極星這顆恆星時，就會知道北方在哪裡。在中國文化裡面，所謂恆星就是恆定不變的。我猜測當時基於這樣一個觀測事實，愛因斯坦就認為，宇宙是靜止不演化的。
吳寶俊：愛因斯坦當年依據恆星位置不動這種現象，認為宇宙是不動的，但是後來有其他證據推翻了他這個想法。是什麼樣的證據呢？
黃慶國：是哈勃。舉個例子，我們怎麼知道宇宙是在膨脹的？比如有一列火車開過來了，如果這個火車是迎面而來的話，它鳴笛的時候聲音會變得越來越尖銳，當離我們而去時，它的波長就變長了，聲音會變低沉。
哈勃做觀測時發現，那些遙遠的星系或者星雲，它們發出來的光波，波長總是往低沉的那個方向上變化（波長變長），而且是系統性的。
也就是說，如果這些星系在隨機跑動，它們應當有些朝我們越來越近，有些遠離我們而去。但哈勃觀測到的（星系）都是遠離我們而去的，這說明宇宙是膨脹的。這個觀測證據，讓愛因斯坦意識到他犯了一個錯誤。
曹瑧：這就是哈勃最重要的發現，是大爆炸理論學說裡最重要的一個觀測證據。
吳寶俊：宇宙是在膨脹的，我把時間倒推回去，它就是在縮小。
黃慶國：縮到頭了就是大爆炸。
吳寶俊：那137億年、138億年就是根據它膨脹的速度反推的。
黃慶國：這就是我們能通過測量今天宇宙膨脹的速度來推測宇宙年齡的原因。
吳寶俊：這背後的邏輯真的很強大。有實驗證據證明宇宙在膨脹，證明所有的恆星都在遠離我們，反推一下，就可以認為在多少多少億年之前大家都集中在一個點上。
黃慶國：所以我認為，大爆炸理論是整個二十世紀所有的物理學理論裡最具有想像力的一個理論。
宇宙是如何膨脹的？
曹瑧：黃老師剛才提到一個非常重要的觀點叫做想像力。我們回到稍微嚴肅一點的話題，就是科學需要想像力，但不能天馬行空。更重要的是，要用實驗觀測證據來檢驗想像力想出來的東西是否真的代表宇宙的演化過程，是否真的有這麼一個點？
從狹義相對論我們知道，時間和空間只不過是四維時空中的四個軸之一，它完全是等價的，中間就差一個光速來轉換一下，只要光速乘上時間就是距離。這是我們做天文學觀測的一個很重要的前沿。
做天文觀測，就是要去找最遙遠的星系、最遙遠的東西，這個東西叫類星體，它發出來的光已經很微弱了，但實際上是一個巨大的星系。人類目前觀測到的類星體，它的光是四百億年前發出來的。
這個光是從四百億光年來的，但宇宙的歷史只有137億年，這是怎麼回事？
吳寶俊：那兩百六十多億年哪去了？
曹瑧：這就是宇宙學碰上的一個非常重要的問題。
黃慶國：這是因為宇宙是膨脹的。我們來講講宇宙膨脹的一個圖像，稱之為棗糕模型。大家早上吃的發糕，發麵團一蒸它就脹了。它是個三維的東西，三維裡每一個點都是平等的，沒有特殊點。宇宙膨脹，就像發糕一樣在脹，是發起來的一種膨脹。
吳寶俊：宇宙在137億年前就是一個發糕點，然後均勻地膨脹。我現在終於明白宇宙大爆炸原來跟發麵差不多。當然，這個膨脹是指宇宙自己的空間和時間在脹。
黃慶國：而且，是每一個空間點都在脹。非常重要的一點是，宇宙大爆炸和我們通常點爆竹是不一樣的，點爆竹有一個爆炸源，可宇宙大爆炸是沒有的，這個爆炸是沒有中心點的爆炸。
大家非常容易誤會，以為前面我們講了星系或者星雲遠離我們而去，好像在說大爆炸理論認為宇宙是有中心的，實際並非如此。我反覆強調，宇宙學原理認為：宇宙是沒有中心的。
怎麼來理解這件事？我們站在地球上，發現所有的東西都在遠離我們而去；同樣，如果有一天我們坐上飛船飛到另外一個星球，我們也會看到其他所有星系都遠離我們而去。
吳寶俊：就是說，我看你，你在遠離我；你看我，我也在遠離你——奇點並不是爆炸的中心，而是一個發糕。
黃慶國：在數學上，奇點是指在那個地方某一些數學的量失效了。
宇宙大爆炸的一個重要證據
曹瑧：還有一個問題，宇宙加速膨脹是怎麼回事？
黃慶國：讓宇宙加速膨脹是在很晚的時候才開始的。
宇宙不是空的，有東西，比如構成人、地球、太陽這樣的物質。除此之外，還有一個東西，一種光輻射，這就是微波背景輻射。
微波背景輻射跟大爆炸有非常密切的關係。從哈勃定律，我們知道了宇宙膨脹，反推回去，得出宇宙早期有個大爆炸，但是有沒有更多的證據？比如大家春節回家點放鞭炮，放了鞭炮之後，能找到殘骸，留下點輻射。
可以說，微波背景輻射就是宇宙大爆炸的一個重要證據。
吳寶俊：之所以叫背景輻射，是說炸完了之後，在茫茫宇宙中普遍會存在殘骸；同時它是一種輻射，叫微波背景輻射，說明波段是在微波波段。微波波段的宇宙大爆炸的殘骸作為背景，叫微波背景輻射。
曹瑧：隨著宇宙的膨脹，宇宙微波背景輻射變得非常均勻。爆炸發生的時候，它的溫度很高，但把它擴展到整個宇宙，能量就降下來了。
黃慶國：所以宇宙不是空的，是有輻射的，儘管它現在溫度很低。
物質從哪裡來？冷爆炸、熱爆炸
黃慶國：在宇宙早期的時候溫度非常高，比太陽溫度高太多。因此，有時候我們在術語上喜歡給大爆炸Big Bang加一個定語Hot，Hot Big Bang即「熱的大爆炸」。
有熱就有可能有冷，這就是剛才我們提到的所謂inflation，與暴脹有關。宇宙中的這些物質從哪裡來？為什麼早期這麼熱？在熱之前是不是有段冷的時期？
吳寶俊：頭次聽說原來大爆炸還分成冷爆炸，熱爆炸。
黃慶國：剛才提到，我們研究宇宙學是基於所謂的宇宙學原理，宇宙是均勻各向同性的。但是宇宙這麼大，幾百億上千億光年，為什麼這麼大的一個系統它是均勻各向同性的？
可以比喻成一個屋子。屋子裡面的溫度到處都差不多，是因為這裡面氣體分子不斷交換，不斷碰撞最後達到平衡，使得屋子裡的不同地方具有相同的溫度。
但是宇宙這麼大，如果宇宙真的只有「熱大爆炸」過程的話，一個宇宙就可以分割成很多個互不關聯的部分。
吳寶俊：就像家裡哪個角落有個火爐子，你坐在這個角落，那兒就熱；靠窗邊，沒暖氣，就冷。火爐子上的熱量，短時間內不一定能夠傳遞到窗邊，所以溫度不可能是平均的。
黃慶國：對，需要花時間，時間足夠長的話，總可以把這個屋子變得各個地方都一樣。
但是有人去算，發現基於宇宙熱爆炸過程，解釋不了這個現象。在上個世紀80年代初有一個很傳奇的人物叫阿蘭·古斯。他提出在熱的歷史之前還有一個冷的歷史。在那段時間內，宇宙不斷在膨脹，而且非常快速。
吳寶俊：就是在熱爆炸之前有一個暴走的狀態，而且那段是溫度是特別低的。
黃慶國：那個過程我們稱之為「暴脹過程」。推動宇宙快速膨脹，需要有一種叫「真空能」的東西。現代物理學告訴我們真空不空，真空也是有東西的。所以真空裡面的這種能量，推動宇宙急劇地膨脹。
而宇宙中的物質是怎麼來的？就是這種能量（真空能）不能完全穩定，會發生衰變，轉化成別的物質，這些物質就是我們今天所看到的這些物質，宇宙中的物質就是這麼來的。
吳寶俊：有人說宇宙大爆炸初始有三分鐘，是您說的冷的過程吧？
黃慶國：不是。冷的過程只持續了非常非常短的時間，大概是10的負幾十次方秒。但是在10的負幾十次方秒這麼短的時間之內，宇宙膨脹了10的幾十次方倍。所以我們稱之為暴脹。
一般認為這個冷爆炸結束後有一個重新加熱宇宙的過程，從此就開始熱膨脹。
吳寶俊：物質的誕生就發生在重新加熱宇宙的過程當中，然後才有後來的熱爆炸。
曹瑧：他想說的是，只有在那麼一個短的，或者是一個很小的範圍內，這些物質之間的交換才能夠實現今天看到的狀態。就像吹氣球，起初氣球的密度是均勻的，吹大之後還是均勻的。
宇宙大爆炸之前是什麼？
吳寶俊：宇宙大爆炸之前是什麼？
黃慶國：首先，我們現在所講的所有科學都是實證主義科學。我們談論那些可以被檢驗的科學理論。而在那之前的東西我們目前沒有辦法去直接觀察它，從我的角度來說，那不完全是實證主義科學。
吳寶俊：照您的說法，就是它相當於一個哲學問題？
黃慶國：很多人有很多不同的解釋，其中非常有名的一個就是霍金的解釋。霍金的解釋跟中國傳統的道家文化有一定的相似之處。道家說無中生有，通過量子的一個過程——叫做哈特爾-霍金宇宙波函數，描述這樣一個無中生有的過程。
但是那只是試圖解釋大爆炸之前宇宙狀態的眾多理論中的一個而已。
曹瑧：科學跟哲學應該有一個邊界。科學研究的東西就是我們知道的東西。科學的邊界是不斷擴大的，是通過我們積累、實驗，建立各種各樣的理論。有一個我們所知道的知識體系，但是這個知識體系不是靜止的，它是在不斷的變化的。知識的邊界不斷在拓展。這個邊界以內的東西是清楚定義了的。
也就是說，第一，要提出理論；第二，通過實驗能夠檢驗。只要是實驗不能檢驗的東西那就不講了。這個問題就不屬於科學的範疇。我們要有一個非常清晰的定義，哪些問題是可以問的，哪些問題是不可以問的。
大爆炸以前到底是什麼東西，我沒有辦法去做實驗。一百個人可以提出一百個假說，我沒有辦法去說誰對誰錯。這就不是科學問題了。
黃慶國：有一個很有名的物理學家叫費曼。他就講不要去問那麼多Why（為什麼），我們能把How（怎麼回事）講清楚就已經很了不起了。
吳寶俊：這句話背後是不是也展現出一些科學本身的約束或者是科學的無奈呢？有好多問題我們暫時回答不了為什麼，也是因為我們的實驗或者技術手段沒有達到期待中的那樣，正因為沒有達到期待中的樣子，才出現做實驗物理和理論物理的這個行業。
黃慶國：或者反過來說，問why還是很重要的，它可以激勵我們不斷往前發展。
曹瑧：知識就是一個圈，圈內的東西叫知識，圈外的東西就是無知，是我們不知道的東西。愛因斯坦跟我們普通人的差別，就是他的圈大點我們的圈小點。在知識的探索過程中，我們的圈不斷變大，碰到無知的東西就越來越多，這是激勵我們知識積累，促進科學發展的一個動力。
黃慶國：所以在這個意義上，做科學的人永遠面對黑暗，把光明留給別人。
宇宙有可能再爆炸一次嗎？
吳寶俊：過去137億年以前發生過一次大爆炸，有沒有可能將來再爆炸一次？
黃慶國：足夠有想像力的理論家真提出過這樣的理論，叫循環宇宙學。它不僅先膨脹然後收縮，塌縮回來，然後再膨脹再塌縮，再膨脹再塌縮，這樣無限循環下去。這也是現在的理論家提出來的可能性之一。
吳寶俊：這樣的理論可能在實驗上得到證實嗎？
黃慶國：有人想在實驗上找證據，真有很嚴肅的科學文章表明科學家在做這些事情。我覺得做理論研究的，可能和做實驗科學的不完全一樣，要保持更開放的思想。
其實反過來我也始終在想，大陸板塊漂移學說和人是從魚進化而來的，不也讓人覺得很奇怪嗎？但是這樣天方夜譚的想法最後都有可能是對的。
暗物質是什麼？
吳寶俊：什麼是暗物質？它是如何被發現的？
曹臻：關於暗物質，天文學上有一個很簡單觀測證據。就是一個星系，像我們銀河系，不是有幾條旋臂嗎，星體都分布在旋臂上。由於整個星系的旋轉，科學家可以測量星系的旋轉速度，也就是旋臂的擺速，稱為線速度。
測出線速度後，根據一個非常簡單的物理學原理，叫角動量守恆，轉動速度受到引力的約束，也就是說，這團星系的質量決定了轉動速度的大小，結果就發現一個很討厭的問題。
吳寶俊：我聯繫一下，是不是高中或大學裡學過的，速度的平方除以半徑等於它的向心加速度？這個向心力應該就是星系裡面的引力提供的。
曹臻：對，這是一個很簡單的道理。如果把旋轉速度測出來，再把我們能用望遠鏡看到的所有星體質量全部加起來，就發現（實際觀測的）轉動速度（比通過星系質量計算得到轉動速度）要快。
吳寶俊：轉動的快，就意味著星體受到的向心力其實比所有星體提供的引力要大得多。
曹瑧：要大出差不多幾十倍。有一個很嚴重的問題，物理學定律到底對不對？物理學定律經過了幾百年發展之後，每一顆星星的運動軌跡都能夠算得非常準確。我們現在發射衛星、發射飛彈，彈道軌跡是算得非常準確的，一點誤差都沒有。
所以物理學定律是非常準確的。可是天文觀測結果又和實驗結果對不上，這個差別太大了。所以，人們就想像這裡面可能有一種東西是我們用望遠鏡看不到的。
我們一般用電磁波去觀測星系，光就是電磁波，所以這個東西一定是不能發出電磁波的。不能發出電磁波，在物理上講，就是它不發光，不參與電磁相互作用，那就沒辦法探測到它，它是暗的，但由於星系的運動，又能感受它的存在。
它也不參加強相互作用，也不組成原子核，原子核就是用強相互作用來組成的，這就是暗物質，是非常難找的一個東西。
吳寶俊：所以暗物質起名字的時候，「暗的」就是指看不見的。
曹瑧：這個東西對宇宙學來說非常重要，因為它比我們現在用物理觀測手段能夠看見的物質要多出來幾十倍。
如何探測暗物質？
吳寶俊：暗物質不參與電磁相互作用，肉眼看不清，也不參與強相互作用，怎麼探測它，實驗上怎麼實現的？
曹瑧：找這個物質有各種各樣的辦法。最好的就是我抓一把東西就抓到了它，這個叫做直接探測。
還有一個是找間接的辦法叫間接探測。比如說兩個暗物質撞在一起，可能會產生一個東西，這個東西很可能就變成了光。或者它自己衰變了，衰變的產物裡可能也有光，這就給我們提供了一些機會。現在通常認為它產生出來的東西就是伽馬光。
吳寶俊：就是非常高頻的電磁波。
曹瑧：所以通過電磁波，如果我們有伽馬射線的探測手段，我們就可以去找伽馬光。
那麼直接探測是怎麼回事呢？剛才我們講了，暗物質如果是粒子的話，它還會產生碰撞。假設有一個原子或者原子核在探測器裡放著，暗物質粒子到處都是，當這個暗物質粒子撞到原子核上，我看不見暗物質撞它的過程，但是我看得見這個原子被撞飛了，它會產生出一個可以被電磁探測器記錄到的信號。這就是暗物質探測的原理。
此外，空間裡瀰漫著各種各樣的宇宙線輻射，所以這種實驗一定要到很深很深的地下去，到地洞裡去，把宇宙線屏蔽掉，靠山體，比如說我們國家的錦屏實驗室，就是在地下兩千多米的地方。
到這種環境去你可以把宇宙線裡的粒子排除掉，然後再想辦法把你能夠想像到的所有源頭屏蔽。把探測用的晶體放到這種環境裡，連熱運動都沒有，哪天我看見它動了，這就找到了暗物質的蹤跡。
暗物質到現在都沒有人看到。按照我們的術語來說，永遠都在跟噪音背景抗衡，測的永遠都是背景。
吳寶俊：像這樣的實驗室全世界有多少呢？
曹瑧：好多個，我訪問過的就有兩個。一個是在加拿大，叫做SNOLAB。這是一個非常著名的一個實驗室。它是一個鎳礦，鑽下去兩千米，坐礦車「哐」就下去了，速度極快，再平著走三公裡才進入一個巨大的實驗室，那個實驗室裡頭是完全是現代化的。另外一個實驗室是在格蘭薩索所，在義大利。
吳寶俊：這個實驗室向遊客開放嗎？
曹瑧：那當然不能開放。
吳寶俊：要開放的話背景噪聲就太大了。
「宇宙線」 宇宙起源探索的新思路
吳寶俊：宇宙線是什麼？它和暗物質之間有沒有什麼聯繫呢？
曹瑧：宇宙線實際上就是各種各樣的原子核。從輕的單個的質子，到氫核，再到氦核、鐵核，各種各樣的原子核，從宇宙裡頭飄過來。
吳寶俊：如果這麼普通，我們探測它或了解它有什麼意義？
曹瑧：首先，宇宙線現在瀰漫在我們的空間裡。跟剛才談到的微波背景輻射有共同的地方，就是各向同性，帶著各種各樣的能量，這個能量，可以高到比我們人類的加速器能夠產生出來的粒子能量還要高几千萬倍。
這些粒子雖然很普通，但是它的能量達到這種程度之後，又引出了一個更加難以理解的問題，就是宇宙加速器到底在哪裡？它為什麼能夠把粒子加速到這麼高的能量？為什麼我們人類做不到？
我們做了27公裡周長的加速器管道，也就加速到這麼一個高的能量，現在發現的上帝粒子什麼的都是從那個地方（歐洲核子研究中心）出來的。宇宙線輕而易舉產生出來的一個能量，把探測器放到地上去一測就能測到。
宇宙線的加速機制可能給我們提供一種全新的思想，這就變成一個前沿的領域，我們叫做極高能前沿。
吳寶俊：曹老師您是拉索項目的負責人，拉索跟宇宙線有關係嗎？
曹瑧：我們這個宇宙線實驗是在青藏高原。我們想要起一個名字儘可能跟西藏、拉薩有關，要能夠諧音起來，這個就是「拉索」的來源。結果取出來之後還恰好碰到一個藏語裡面的感嘆詞，叫「拉索」，就是「好」的意思。它就是用來探索宇宙的起源。
探索宇宙起源用的方法是什麼呢？就是去探測能量最高的伽馬射線。我們所期望的就是要找到PeV的伽馬線。
宇宙裡瀰漫著2.7K的微波背景輻射，它就是光子，是能量非常非常低的光子。這麼高能量的一個PeV光子會跟低能的光子發生碰撞。那些沒碰撞的，逃過來的倖存者，就是我們要去觀察的東西。
能夠找到它們的話就能夠跟蹤回去追到那個源頭。這樣就找到了宇宙線的源頭。
吳寶俊：拉索這個儀器長什麼樣？咱們的FAST是個大鍋，這個拉索是不是一個大盆或者什麼東西呢？
曹瑧：是一個大的網絡，一個大陣。這個陣大概是1.3公裡直徑的一個圓盤。FAST是五百米的直徑，拉索更大。它有四種主要的探測器在裡頭。
吳寶俊：宇宙線跟暗物質有什麼關係？
曹瑧：我們探測暗物質一個比較有效的間接辦法，就是去看特別暗的東西有強烈的伽馬射線輻射。如果拉索是一個很好的伽馬射線探測器的話，就去看拉索看到的星體裡頭有沒有這樣的東西。
也不能漫天去找，還是要有一點線索。這個線索是宇宙學研究裡的一種特殊的東西，叫做矮星系。
矮星系是什麼意思？在天文學上講高和矮是指的它的亮度。矮星系就說明它特別暗，但它物質量是很大的。它發光的東西特別少，光的強度又很小。
如果人能夠在矮星系裡找到一些特殊的伽馬射線，這就神奇了。你看它發光的物質很少，發光的光強很小，質量又很大，然後再有點伽馬射線，這就是暗物質。
吳寶俊：拉索有沒有可能找到外星人存在的證據？
曹瑧：這不太可能。因為這是一個探測裝置，是探測器，探測那邊來的信號只是接收。而且尤其像拉索這樣的探測器，它測量到的信號能量都太高，高到至少不是人類正常生活所發出來的信號。因此，它應該不會被界定成為一個外星人的探測器。
人類會陷入永恆的孤寂嗎？
吳寶俊：剛才咱們講了宇宙在膨脹，我們觀測到的恆星都在遠離我們，那這是不是意味著我們人類越來越孤獨呢？別的恆星都在遠離我們，就是說其他的文明都離我們越來越遠了。對此您怎麼看？
黃慶國：這確實是很多人包括科學家在關心的一個問題。其中有一個更深刻的問題，我們知道熱力學第二定律，是說一個系統的混亂程度總是在不斷增加的，用學術的語言來說，就是熵不斷增加。
到目前為止我們還沒有看到破壞這個定律的任何的實驗。這會給我們一個更悲觀的宇宙前景，就是宇宙最後會變成一團混沌，什麼都沒有，會達到熵極大就是最混亂的一種狀態，什麼都沒有。
曹瑧：把人類跟宇宙的膨脹聯繫起來，跨越的尺度太大了，這個事情實際上沒有那麼直接。人類在地球處於太陽系，太陽系處於銀河系，比起人類的這個概念來說，這樣一個系統已經足夠大了。
然後講到星系與星系之間在不斷膨脹這件事，實際上在銀河系裡是感受不到的。科學家在找的所謂的地外文明也好，地外行星也好，這些東西實際上找的還是在銀河系的圈子裡頭。
這個東西至少在人類的短暫歷史裡不會發生什麼變化。至於說星球飛得更遠，這件事情跟人類孤不孤獨實際上一點關係都沒有。