兩千五百年前，屈原一篇《天問(wèn)》發(fā)出了中國(guó)人找尋宇宙奧妙的千年之嘆：“遂古之初、誰(shuí)傳道之，上下未形，何由考之……”2022年7月，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡公布第一批宇宙合照，人類的眼神抵達(dá)了距離月球46億光年的遙遠(yuǎn)距離……然而宇宙對(duì)人類來(lái)說(shuō)依然飽含了無(wú)數(shù)謎題，其中排在最前列的肯定是宇宙的起源。
138億年前的宇宙大爆燃后發(fā)生了哪些？現(xiàn)在人類探求宇宙本源的極限在那里？人類離揭露暗物質(zhì)的秘密還有多遠(yuǎn)？11月17日，匯星樓一號(hào)報(bào)告廳座無(wú)虛席，知名化學(xué)學(xué)家、李政道研究所主任、五院教授、上海交通學(xué)院原院長(zhǎng)張杰在北京學(xué)院“大師面對(duì)面”講座上，分享了關(guān)于宇宙物質(zhì)起源與演變最前沿的科學(xué)發(fā)覺(jué)與思索。
張杰在北京學(xué)院“大師面對(duì)面”講座上，分享關(guān)于宇宙物質(zhì)起源與演變最前沿的科學(xué)發(fā)覺(jué)與思索。北京學(xué)院供圖
張杰，1958年出生，知名化學(xué)學(xué)家，曾任重慶交通學(xué)院院長(zhǎng)（2006年至2017年）。他是中國(guó)科大學(xué)教授、德國(guó)國(guó)家科大學(xué)教授、發(fā)展中國(guó)家科大學(xué)教授、英國(guó)皇家工程院外籍教授、美國(guó)國(guó)家科大學(xué)外籍教授。歷任中國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，李政道研究所主任，曾任中國(guó)科大學(xué)副校長(zhǎng)。
張杰主要從事高能量密度化學(xué)前沿研究，與科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了超短脈沖高能電子衍射與成像裝置，實(shí)現(xiàn)了亞毫埃級(jí)的結(jié)構(gòu)變化解析能力，并將超快電子衍射的時(shí)間幀率提升到優(yōu)于50皮秒，刷新了世界紀(jì)錄。今年大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告，張杰獲得2021年未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”。
人類觀察宇宙本源的極限早已到了微秒級(jí)
以138億年前的宇宙大爆燃為開(kāi)端，張杰梳理了物質(zhì)的起源與演變過(guò)程。現(xiàn)在科學(xué)界的主流觀點(diǎn)覺(jué)得，宇宙大爆燃發(fā)生在10-43秒以內(nèi)，被稱為普朗克時(shí)代。在10-43秒至10-35秒時(shí)宇宙步入了上漲時(shí)代，從10-35秒至10-3秒宇宙步入了輕子時(shí)代。目前，人類對(duì)宇宙起源的認(rèn)識(shí)，早已能溯源到10-3秒，也就是微秒級(jí)別了。
“現(xiàn)在的宇宙是一個(gè)暗能量主導(dǎo)的宇宙。”張杰說(shuō)到，到了大爆燃后2億年，在暗物質(zhì)的幫助下第一代星體在黑暗時(shí)代中產(chǎn)生。宇宙從大爆燃開(kāi)始，走過(guò)由幅射主導(dǎo)、物質(zhì)主導(dǎo)到暗能量主導(dǎo)的不同階段，總算在10億年后誕生了第一代星系。
神秘的暗物質(zhì)和暗能量是哪些？張杰說(shuō)，明天宇宙中95%的物質(zhì)存在方式是高能量密度狀態(tài)，黑洞、反物質(zhì)和暗物質(zhì)等宇宙的未知部份都是這些狀態(tài)的物質(zhì)。
這些物態(tài)有多極端？所謂高能量密度狀態(tài)與普通物質(zhì)狀態(tài)的交界在1百萬(wàn)大氣壓，1百萬(wàn)大氣壓相當(dāng)于將2艘056A-輕護(hù)艦壓在面積為2㎝2的手指上的浮力。現(xiàn)在，科學(xué)家們的研究的能量密度范圍是從400萬(wàn)大氣壓到3500億大氣壓，3500億大氣壓浮力相當(dāng)于將10000艘山東艦壓在手指上。
我國(guó)探求初期宇宙站在世界最前沿
1054年，元朝天文學(xué)家楊惟德觀察到雙子座蟹狀星云，是人類第一次觀測(cè)到超新星爆發(fā)。2022年7月，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡公布第一批相片坐落飛魚(yú)座的星體團(tuán)SMACS0723，早已距離月球46億光年。
張杰介紹，從楊惟德肉眼觀察到韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，在人類探求初期宇宙本源的過(guò)程中，我國(guó)作出了重要貢獻(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以李政道研究所科學(xué)家為代表的中國(guó)科學(xué)家早已站在了世界的最前沿。
李政道研究所的景益鵬團(tuán)隊(duì)獲得了最大的星體弱引力透鏡樣本（3億）、最大的星體群樣本（9700萬(wàn)）、最精確的銀河系暗物質(zhì)分布與質(zhì)量檢測(cè)。現(xiàn)在，人類早已可以曉得暗物質(zhì)和暗能量在宇宙的演變中起到了重要作用，在宇宙里，重子物質(zhì)只占5%，暗物質(zhì)占23%，暗能量占72%，即使我們尚不曉得它們的本質(zhì)。
季向東、劉江來(lái)團(tuán)隊(duì)在重慶錦屏深地實(shí)驗(yàn)室先后建成三代液氙實(shí)驗(yàn)，高靈敏度搜救暗物質(zhì)，多次獲得偵測(cè)靈敏度國(guó)際領(lǐng)先的結(jié)果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室建在地下2400米深處，研究人員在上面渡過(guò)了無(wú)數(shù)個(gè)日日夜夜，她們甚至連見(jiàn)太陽(yáng)的時(shí)間都屈指可數(shù)。
傳統(tǒng)上人類借助電磁波進(jìn)行天文觀測(cè)，后來(lái)中微子和引力波提供了新的觀測(cè)手段，于是多種觀測(cè)手段聯(lián)合觀測(cè)構(gòu)成了多信使天文學(xué)。在這一領(lǐng)域，徐東蓮團(tuán)隊(duì)正在施行“海鈴計(jì)劃”，建設(shè)中國(guó)南海深海中微子望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)捕捉高能天體中微子來(lái)探求極端宇宙。2021年9月消息，海試團(tuán)隊(duì)成功在預(yù)定海域布放數(shù)套自研實(shí)驗(yàn)儀器并采集到珍稀數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)驗(yàn)證了預(yù)選海域作為中微子望遠(yuǎn)鏡候選臺(tái)址的可行性。
傳統(tǒng)上天文學(xué)為觀測(cè)科學(xué)，而非實(shí)驗(yàn)科學(xué)，科學(xué)家們借助高能量密度激光實(shí)現(xiàn)了天文學(xué)從觀測(cè)邁向?qū)嶒?yàn)。張杰領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)借助強(qiáng)激光，成功模擬了太陽(yáng)日冕中的磁重聯(lián)噴流及環(huán)頂X射線源、黑洞周邊的光電離、超新星遺跡無(wú)碰撞沖擊波等天體或天文現(xiàn)象，并進(jìn)行了深入研究。
“宇宙中95%的物質(zhì)存在方式是高能量密度狀態(tài)，對(duì)高能量密度化學(xué)過(guò)程的探求將為人類了解愈發(fā)寬廣的宇宙打開(kāi)一扇房門，愈發(fā)豐富多彩的未來(lái)世界已經(jīng)出現(xiàn)在我們眼前。”張杰如是說(shuō)。