北京师范大学天文学系教授何香涛做客“南开公能讲坛”

文章出处: 德育处 时间:2016-12-03

爱因斯坦的哲学和宇宙大爆炸

    2016年12月2日,北京师范大学天文学系教授何香涛主讲“南开公能讲坛”第87讲。本次报告会由校理事会理事长孙海麟主持,党委书记刘浩、副校长(主持工作)马健等出席报告会。高二、初二学生以及部分教师聆听了本次报告。

    何香涛,北京师范大学天文学系教授,博士生导师,国际天文学会会员。曾任中国天文学会副理事长,主要从事类星体和活动星系核方面的研究工作,著有《银河系之外》等。

    报告会伊始,何教授向同学们谈及下午参观南开中学的感受,他表示南开中学培养出众多“允公允能、德才兼备”的“大家”,而今天的报告也与一位“大家”有关,他就是善于思考、勇于创新的爱因斯坦。

    爱因斯坦于1905年发表了四篇水平极高的论文,其中一篇构成了狭义相对论,功劳非凡,所以国际上将一百年后的2005年设立为国际物理年。同样,由于伽利略于四百年前发明了人类第一架望远镜,2009年被命名为国际天文年。由此可见,国际上很重视天文学与物理学。

    何教授向同学们介绍了古人眼中的宇宙。战国时期的人们定义宇宙为:四方上下曰宇,古往今来曰宙。《晋书•天文志》中又写到:古言天者有三家,一曰盖天,二曰浑天,三曰宣夜。说宇宙像个锅盖的盖天说和说宇宙像个鸡蛋的浑天说一直到清代依然争论不休。

从牛顿到爱因斯坦,先进科学的伟大进程

    提到牛顿与爱因斯坦,就不能不提另一个伟大的学者——开普勒。他相信日心说,并把日心说的圆轨道修改成了椭圆轨道,成功解释了行星运动的全部观测资料,发现了简单而且精确的开普勒定律。

    牛顿根据开普勒运动三定律,证实了力与质量距离有关系,进而发现了万有引力,牛顿为经典力学奠基做出了巨大贡献。美国著名诗人亚历山大•波普用诗句赞美牛顿:自然界和自然界中的规律隐藏在黑暗中,上帝说“让牛顿去吧”,于是一切成为光明。

    天降爱因斯坦。爱因斯坦是否聪明不得而知,他家境一般,接受教育的学校也一般,但善于思考,关心科学是他最大的优点。他于1905年创造出狭义相对论,然而他并不满足于此,经过大量的科学研究,在1915年写出爱因斯坦方程,由史瓦西于次年解出,这就是著名的广义相对论。但诗人波普为何却用诗歌嘲讽爱因斯坦?原因是爱因斯坦创造出的相对论比牛顿定律要复杂很多,唯一的用途与验证来源于宇宙,很多宇宙中发生的事情都可以用广义相对论说明。比如发现光线经过大质量的物体时可以弯曲,由日全食验证:日全食前后光线发生弯曲,过后恢复。

宇宙的起源——宇宙大爆炸

何教授详细深入地为我们讲解了四个事实依据。

(一)宇宙的膨胀

    我们生活在银河系中,每一个星系相当于宇宙中的一个小单元。哈勃通过望远镜观测了宇宙中的29个星系,发现星系在宇宙中距我们越远向外运动速度越大,在不停地远离我们,证实了宇宙膨胀。这就是哈勃定律,虽然简单,但最重要、最基础。

(二)微波背景辐射

    现在的通讯技术非常发达,但以前想要打电话需要先将信号传送到天上,再由卫星反射到地面接收处。好的天线有利于信号稳定,两位美国研究者制造出了绝对温标为零度(-237℃)的天线,并发射到天上进行试验验证,但反射回的温度却为-268℃,这个消息传到了普林斯顿大学,科学家们兴奋地发现相差的温度就是宇宙背景温度。在天上观测宇宙周围温度完全均匀,原因是黑体温度相同,也就是热辐射相同。

(三)元素的合成

    宇宙大爆炸时,氢聚变为氦。通过数据计算,宇宙中氢元素占百分之九十多,氦元素只占百分之五左右。但经过实际测量,氢占75%,氦占25%。由数据的差异可以证明宇宙大爆炸。

(四)大爆炸的提出和标准化

    其核心内容为,1948年普林斯顿大学科学家提出的α-β-γ理论。这些理论的提出,都由观测事实证明了,并且都是由广义相对论作为基础的。

三分钟创造一个宇宙 ——宇宙的创生

    何教授认为从宇宙大爆炸到宇宙诞生,只有三分四十五秒,我们可以把宇宙爆炸到目前的全过程都验证演示出来。通过WMAP 观看微波背景辐射,可以粗略观察到宇宙第一缕曙光。

    紧接着,何教授对几个大家普遍比较关注的问题做出了解答。

Q1:宇宙的极早期是什么?

A1:一片夸克海洋。

Q2:宇宙的极限如何认定?

A2:根据普朗克时间长度温度加以估计。

Q3:宇宙会永远膨胀下去吗?

A3:有三种推测,很可能持续均匀膨胀。

Q4:是否存在反物质?

A4:迪克拉验证电子可能带正电。

Q5:引力波探测如何实现?

A5:韦伯的试验不了了之,双中子星绕转试验获1993年诺贝尔奖。引力波天文台由4000米长真空筒,垂直相加,验证出双黑洞碰撞,但何教授对此存疑。

Q6:什么是暗物质?

A6:宇宙中重要物质之一就是宇宙中的暗物质,占宇宙中23%(暗能量占73%,潜在用处很大)。

    何教授指出,这些理论全部都是在爱因斯坦的广义相对论基础上提出的。全世界天文学界致力于研究现代天文学,开展“超越爱因斯坦工程”,本质是建设优良设施装备进行研究。

    而现在科研者们面对的三个核心问题分别为:大爆炸的动力是什么?黑洞的边界发生了什么?暗能量是什么?虽然诺贝尔没有设立天文学奖,但将天文学与物理学结合在一起,设立天体物理学奖,而近年来天体物理学家也功绩卓越,这恰恰呼应了本次讲座的主题——爱因斯坦的哲学和宇宙大爆炸。

    何香涛教授希望有更多的同学将来加入到研究天体物理的行列中来。