兩千五百年前，屈原一篇《天問》發(fā)出了中國人追尋宇宙奧妙的千年之嘆：“遂古之初、誰傳道之，上下未形，何由考之……”2022年7月，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡公布第一批宇宙照片，人類的目光到達(dá)了距離地球46億光年的遙遠(yuǎn)距離……然而宇宙對人類來說仍然充滿了無數(shù)謎團(tuán)，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炸后發(fā)生了什么？如今人類探索宇宙本源的極限在哪里？人類離揭開暗物質(zhì)的秘密還有多遠(yuǎn)？11月17日，匯星樓一號(hào)報(bào)告廳座無虛席，著名物理學(xué)家、李政道研究所所長、五院院士、上海交通大學(xué)原校長張杰在深圳大學(xué)“大師面對面”講座上，分享了關(guān)于宇宙物質(zhì)起源與演化最前沿的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與思考。

張杰在深圳大學(xué)“大師面對面”講座上，分享關(guān)于宇宙物質(zhì)起源與演化最前沿的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與思考。  深圳大學(xué)供圖

張杰，1958年出生，著名物理學(xué)家，曾任上海交通大學(xué)校長（2006年至2017年）。他是中國科學(xué)院院士、德國國家科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士、英國皇家工程院外籍院士、美國國家科學(xué)院外籍院士。現(xiàn)任中國物理學(xué)會(huì)理事長，李政道研究所所長，曾任中國科學(xué)院副院長。

張杰主要從事高能量密度物理前沿研究，與科研團(tuán)隊(duì)研制了超短脈沖高能電子衍射與成像裝置，實(shí)現(xiàn)了亞毫埃級的結(jié)構(gòu)變化解析能力，并將超快電子衍射的時(shí)間分辨率提高到優(yōu)于50飛秒，刷新了世界紀(jì)錄。去年，張杰獲得2021年未來科學(xué)大獎(jiǎng)“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”。

人類觀察宇宙本源的極限已經(jīng)到了毫秒級

以138億年前的宇宙大爆炸為開端，張杰梳理了物質(zhì)的起源與演化過程。如今科學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙大爆炸發(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)宇宙進(jìn)入了暴漲時(shí)代，從10-35秒至10-3秒宇宙進(jìn)入了輕子時(shí)代。目前，人類對宇宙起源的認(rèn)識(shí)，已經(jīng)能追溯到10-3秒，也就是毫秒級別了。

“現(xiàn)在的宇宙是一個(gè)暗能量主導(dǎo)的宇宙。”張杰說到，到了大爆炸后2億年，在暗物質(zhì)的幫助下第一代恒星在黑暗時(shí)代中形成。宇宙從大爆炸開始，走過由輻射主導(dǎo)、物質(zhì)主導(dǎo)到暗能量主導(dǎo)的不同階段，終于在10億年后誕生了第一代星系。

神秘的暗物質(zhì)和暗能量是什么？張杰說，今天宇宙中95%的物質(zhì)存在形式是高能量密度狀態(tài)，黑洞、反物質(zhì)和暗物質(zhì)等宇宙的未知部分都是這種狀態(tài)的物質(zhì)。

這種物態(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1百萬大氣壓，1百萬大氣壓相當(dāng)于將2艘 056A-輕護(hù)艦壓在面積為2㎝2的拇指上的壓強(qiáng)。如今，科學(xué)家們的研究的能量密度范圍是從400萬大氣壓到3500億大氣壓，3500億大氣壓壓強(qiáng)相當(dāng)于將10000艘遼寧艦壓在拇指上。

我國探索早期宇宙站在世界最前沿

1054年，北宋天文學(xué)家楊惟德觀察到金牛座蟹狀星云SN1054，是人類第一次觀測到超新星爆發(fā)。2022年7月，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡公布第一批照片位于飛魚座的星系團(tuán)SMACS 0723，已經(jīng)距離地球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，在人類探索早期宇宙本源的過程中，我國做出了重要貢獻(xiàn)，以李政道研究所科學(xué)家為代表的中國科學(xué)家已經(jīng)站在了世界的最前沿。

李政道研究所的景益鵬團(tuán)隊(duì)獲得了最大的星系弱引力透鏡樣本（3億）、最大的星系群樣本（9700萬）、最精確的銀河系暗物質(zhì)分布與質(zhì)量測量。如今，人類已經(jīng)可以知道暗物質(zhì)和暗能量在宇宙的演化中起到了重要作用，在宇宙里，重子物質(zhì)只占5%，暗物質(zhì)占23%，暗能量占72%，雖然我們尚不知道它們的本質(zhì)。

季向東、劉江來團(tuán)隊(duì)在四川錦屏深地實(shí)驗(yàn)室先后建成三代PandaX液氙實(shí)驗(yàn)，高靈敏度搜尋暗物質(zhì)，多次獲得探測靈敏度國際領(lǐng)先的結(jié)果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室建在地下2400米深處，研究人員在里面度過了無數(shù)個(gè)日日夜夜，他們甚至連見太陽的時(shí)間都屈指可數(shù)。

傳統(tǒng)上人類利用電磁波進(jìn)行天文觀測，后來中微子和引力波提供了新的觀測手段，于是多種觀測手段聯(lián)合觀測構(gòu)成了多信使天文學(xué)。在這一領(lǐng)域，徐東蓮團(tuán)隊(duì)正在實(shí)施“海鈴計(jì)劃”，建設(shè)中國南海深海中微子望遠(yuǎn)鏡，通過捕捉高能天體中微子來探索極端宇宙。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)儀器并采集到珍貴數(shù)據(jù)，這些數(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)為觀測科學(xué)，而非實(shí)驗(yàn)科學(xué)，科學(xué)家們利用高能量密度激光實(shí)現(xiàn)了天文學(xué)從觀測走向?qū)嶒?yàn)。張杰領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)激光，成功模擬了太陽耀斑中的磁重聯(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)存在形式是高能量密度狀態(tài)，對高能量密度物理過程的探索將為人類了解更加廣闊的宇宙打開一扇大門，更加豐富多彩的未來世界已然出現(xiàn)在我們眼前。”張杰如是說。