与法国科学家研究中心宇宙物理学家对话：我们的宇宙有多大？ | 少年时No.24阅读指导
space planets outer nature | 图片来自vunature.com
分享专家 | 让·皮埃尔·博笛(Jean-PierrePetit)
特邀嘉宾 | 阮健
直播翻译 | 秦捷
主持人 | 杨萨萨
笔录整理 | 杨萨萨，阮健
这是小多童书的原创文章，来自小多读者群的第14次分享内容，欢迎朋友圈转发分享，未经小多童书(ID xiaoduoui)授权不得转载。
特别感谢小多读者群的宇妈、丹阳妈、睿睿妈对文字整理的帮助。
各位爸爸妈妈以及《少年时》的小读者们，大家晚上好，非常感谢大家能够来参加本次“对话大科学家”的活动，我是本次专访活动的主持人杨萨萨。
今天的活动我们邀请到了几位重量级的嘉宾。
让·皮埃尔·博笛(Jean-Pierre Petit)研究员，法国科学研究中心宇宙物理学家。他一直活跃在宇宙物理学研究前沿，参与提出了最新的宇宙模型。同时他也是少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》这本书的科学顾问，全书的策划构架和实际内容都得益于他的帮助。
秦捷女士，她是《少年时》的全球组稿编辑，中英法三种文字的编译，今天她将担任本次分享活动的直播翻译。
阮健女士，《少年时》的执行主编，资深媒体人和童书出版主编。
分享解读
By《少年时》执行主编-阮健
熟悉又陌生的宇宙世界！
什么是观测宇宙？什么是推测宇宙？
这里面的话题，为什么被很多人认为高深、难以解释？
《少年时》又为什么选择了这样一个话题进行挑战？…
世界有多大，是人类从远古就有的疑惑。那么，随着现代科技的发展，我们现在知道的世界到底有多大呢？还有就是宇宙在变化，它有奇点，有演化的过程，那么是否有终点？科学家都是怎么知道的？这些理论是一定的吗？
我们头顶上的星空让我们从最直观的角度知道，在地球以外还有更大的一个世界的范畴——宇宙。我们人类也是在一步步探索自己在宇宙中的位置。
比如，你现在可能会问：
地球在哪里？
在太阳系里，太阳系在哪里？
太阳系在银河系中，而银河系呢？
银河系就是宇宙吗？
在上世纪20年代，人们推测，宇宙是随时间变化而膨胀的，这一点在现在也得到验证。在这个基础上，人们才知道，在宇宙里，除了银河系，还有很多其他的星系。
科学家对宇宙结构的研究真正开始，这离现在也就是不到100年的时间。但就在这不到100年的时间里，人们旧有的观念不断在被刷新。
于是，我们知道了更大的世界，银河系在本星系群中，本星系群包含更多的星系，而在本星系群外，还有更大的，就是超星系团，本星系群在室女座超星系团中，而最近科学家发现，我们的室女座超星系团和其他两个超星系团又同属一个超星系团复合体——拉尼亚凯亚。这个结果是在2014年发表的。
我可以用一些我们生活中的比例来描述太阳系的范围，但是到了太阳系、银河系以及更大的结构时，我们现有的尺度已经完全无法描述。我们也很难用一些习以为常的观念来理解。
比如，我们之前一直想探究，宇宙的中心在哪儿？
而我现在可以说，宇宙没有中心，而又有中心。
当然，这样说，是有前提条件的。想必有读者提出了类似的疑问，别担心，科学家在后面会进行精彩的解答。
我们想向读者解释这些，不仅是因为少年时中观测宇宙和推测宇宙很多都来自最新的发现、最新的理论。除此以外，它能带给你带来一些观念上的突破。我们头脑中应该没有什么既定的框，如果有，我们无法了解地球不是世界的中心，自然也无法看到更大的世界。
如果，以我们自己已有的观念去推测另外一件事情，缺少科学的方法，你会偏离事实的真相。
有关宇宙的真相是什么呢？
我们人类真正观察到的宇宙物质只有5%，换句话讲，95%是未知数。为了解释这95%的未知数，从上世纪80年代开始到今天，有各种各样的“理论”出台，比如：暗物质、暗能量、黑洞，其中很多都被认为是主流理论，但是实际上，这些理论都是假想，很难说会一直有效。
关于大家去了解更大的宇宙，最重要的就再不是结果，而是科学家研究宇宙的过程和方法。
今天请到的Jean Pierre就是这样一位科学家。他在看到我们的策划时说，这本介绍宇宙的专刊，应该让读者读完后对目前的这个状况有个认识——“未知数很多”，而这也正是这个学科的吸引力所在。
在这本书里，他帮助我们亲自写了最重要的有关推测宇宙的文章，比如，《宇宙的第一束光——宇宙微波背景辐射》、《暴胀让宇宙成型》、《大宇宙的基本属性》等等。
《宇宙的基本属性》，这篇文章我们之前找了两位国内外不同的作者，都没有写成功。因为这篇是深度阅读文章，也是一篇彻底挑战固有观念的文章，我们非常想能有一位作者，把宇宙各向同性和均质性尽可能简单地描述给我们读者，于是我们碰到了Jean Pierre。
Jean Pierre是一位非常有才华的科学家，也特别热衷于科普事业，自己创办一个科学无边界的网站，他还擅长插画。他画的一个漫画一个人穿越到计算机里，了解计算机内部的操作过程，这个卡通漫画还会刊登在我们2017年2月出版的少年时No.26《计算机大穿越》中。
另外，2017年新出版的少年时，会增加视频解读，会拆解科学难点，跟着我们纸书同期发布。（在少年时目录页/封底扫描二维码即可收看「少年时视频」！）
宇宙的“12个月” | 图片来自少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》
来自读者的十个宇宙问题
及让·皮埃尔·博笛的解答
Q1：看完这本宇宙的书，我感到人的渺小，感到生命的脆弱，感到生死的无关紧要，那作为一个研究宇宙的科学家，您有没有过这样的感受呢？
这个问题实际上是一个非常有哲学意味的问题，涉及到人类在宇宙中的位置和人类在宇宙中所起的作用的。
我们每个人都有时会问自己生命和死亡到底有什么含义？这样的问题一般是哲学家在考虑，纯科学的人好像不是特别感兴趣。
我个人觉得，宇宙的概念、或者大的世界的概念，不是单纯的物质世界，也是精神世界，二者并存而且一起共同演变。正是通过生命和死亡这样对立线上的存在，使得物质和非物质世界之间有了联系。
尽管我们人类在宇宙当中很微小，但是要知道——宇宙当中没有什么是微不足道的，再微小的现象或物质都有它存在的理由，也对宇宙的演变都可以起到一定的作用。
所以尽管我们在茫茫宇宙的面前感到自己很渺小，但是我们人类还是在宇宙演进的过程当中起了一个很重要的作用的。
Q2：从书里所标注的时间点来看，宇宙大爆炸一发生就紧接着暴胀，是不是这样，还是说发生后的一个短时段后暴胀才开始？
根据宇宙暴胀理论，暴胀的过程是发生在宇宙初期大约10负35次方秒这样一个很短很短的瞬间，从这个理论的角度看，暴胀确实是发生在宇宙大爆炸之后的那个瞬间。
不过目前的宇宙学领域有很多争论，包括宇宙暴胀理论也存在一些争议，我个人到今天为止还没有被这个理论完全说服，我对宇宙模型的看法是主要是宇宙常数的变化。
我主张光速可变理论，根据光速可变理论，宇宙大爆炸时刻，光速无限大，之后光速慢慢地减弱。
在这个光速可变理论的基础上所设立的宇宙模型，可以解释很多宇宙历史难以解释的现象，而且不需要宇宙暴胀这个过程。
当然这是我个人的看法，那么宇宙暴胀论目前还是有不少的科学家是认同的。
宇宙大爆炸初期示意图 | 图片来自【少年时视频】观测宇宙和推测宇宙——宇宙大爆炸
【少年时视频】观测宇宙和推测宇宙——宇宙大爆炸
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Q3：通过电磁波来观测宇宙，是人类才有的手段吗?假定有外星人，他们也是采用这种手段吗？或者他们用其它的手段？
比如，他们根本就看不到电磁波，但是却可以观测到引力波？
大家知道电磁波的发现已经有100多年的时间了，在电磁波发现以后，科学家们进行了很多相关研究才达到今天情况，可以使用电磁波进行很多科学探索。
引力波还是一个很新的发现，是最近几年才发现的。目前对引力波的理解还非常有限，理论上讲，人类在未来肯定能够发现应用引力波的技术，到那个时候，人类也许可以使用相关的技术来探测宇宙。
问题里还提到会不会有外星人，就是外星的智慧生命。假如外星人和地球人的生理结构有差异的话，这个差异也许会造成他们对电磁波不敏感，但是对引力波敏感，从理论上来讲，谁也不能说这个可能绝对不存在。
但是，假如把我们熟悉的声波和光波比较的话，再看看我们地球上生物，有些低级生物、低级生命体。
比如说很简单的虫子，它没有视觉，但是它听力特别敏感，所以就属于对声波敏感，对光波不敏感。与这个相反的还有一些生物，比如说植物，它们对光波敏感，但是对声波不敏感。我们人类对声波和光波都敏感。
目前人体是不是对引力波敏感，还是一个有待研究的问题。很多的科学家认为——人体其实对引力波也是有一定的敏感度的。
植物对引力波是有比较强的敏感度的，这就是为什么很多科学家都发现植物的种植和月球的周期之间有一定的联系。
说到宇宙中生命体的结构和演变过程，现在看大部分科学家的观点是非常非常类似的。
假如真有外星人存在的话，那么我们可以猜测他们运用引力波的方式会有两种可能：
一种可能是，和人类一样，通过开发一些技术手段（比如：特殊设备）来测量；另外一种可能是，他们本身的生理结构也许和人类有一定差别，对引力波特别敏感。
不过我这里说的只是两种存在的可能性。
Q4：我还是无法理解三维曲面，科学家们能够轻松的理解吗?有没有能够轻松理解三维曲面的外星人，他们生活在4维空间里吗？
关于理解三维曲面的问题，理解这个词不管是在法语还是英语里，我们追溯它到古希腊拉丁语的那个时候，实际上它最原始的意思是靠近、接近那个知识。
像我们说的多维曲面，涉及到比较复杂的微分几何形状，那么所谓的理解、接近这个概念，并不意味着直接的、直观的看到它，因为我们人类直观是看不到那么多维度的景象的。
对科学家来讲，唯一的手段是用数学符号来表达这样一个概念，我和大家一样，我眼前也看不到这个多维曲面的形状。
那么地球上的生物，比方说蝙蝠，它有一个非常独特的器官，类似一种超声波雷达，蝙蝠可以同时看到一个三维物体的位置，并探测到它的运动方向和速度。假如位置是三维来体现，速度也是三维来体现的话，那蝙蝠跟我们人类比，它可以感受到六维，而人类是没有这个功能的。
所以，如果你觉得很难理解三维曲面，就是说你很难直观的来想像它的样子，这是很正常的。
Q5：大爆炸的奇点跟黑洞的奇点有什么不同，是不是一个大一个小？
关于宇宙大爆炸的奇点和黑洞奇点这个问题，奇点的概念是通过数学推算出来的，宇宙和黑洞都存在这样一个奇点。
但是目前我们所知道的物理定律，并不适用于这个数学推算出来的结果。
作为物理学家，很多人提出了一个问题：数学上推算出来的奇点有没有跟它相对应的物理含义？
这个问题到目前还没有公认的、确定无疑的答案。那么有人认为有，有人认为没有，我个人属于第二种意见。
我在2015年在美国的科学杂志Physics Letters A上面发表的论文，是讲关于黑洞奇点的数学推算问题，我认为其中是有一定的错误。
那么我们第二类理论的科学家，我们认为这个奇点本身不存在。实际上数学推算出来的这个奇点，我认为是正质量物质宇宙和负质量物质宇宙之间，时空交汇的一个宇宙通道。
不过关于宇宙的双面性，这是一个非常复杂的问题，这是目前一个比较挑战传统宇宙模型的新理论模型。
Q6：我有时候想，研究宇宙学很有趣，因为宇宙太神秘了；有时候又觉得研究宇宙学会很枯燥，因为可能会守着望远镜对着某一片天宇，几十年看到的都一成不变，遇不到我们想找的东西。对此您有什么看法？
观测宇宙是不是一个很枯燥的工作呢？
如果和宇宙演变这样一个漫长的历史相对比，我们人类的生命只是一个特别特别短的瞬间。但是要知道人类有史以来，每一代人都非常关注天空，都试图了解宇宙这个充满了未知数的世界。
就是因为人类有了好奇心，我们才慢慢的研究、认识宇宙达到了今天这个了解程度，继续下去的话，那么也许不久之后，人类就可以实现星际旅行这样的梦想了。
所有的进步，都是从最基础的对宇宙学的研究开始的，都是从了解宇宙的形成开始的。
所以，从这个角度来讲，我觉得研究宇宙、观望宇宙不是一个枯燥的事情，不仅不枯燥，反而因为充满了很多未知的事情，而变成一个很有趣的工作。
Q7：我从书里看到宇宙的膨胀是由于暗能量的推力，但是我从您的个人介绍里又了解到您认为膨胀不是由于暗能量，而是由于反物质的作用。
这个反物质很多吗？有没有由反物质组成的世界，或者由反物质组成的智慧生物？
宇宙膨胀加速肯定是需要一个令它加速的力量，那么目前常规的宇宙学理论认为这个力量来自于暗能量。
暗能量到底是一个什么性质的能量呢？目前宇宙学家都不能给出一个科学确定的解释。实际上就是我们推测存在这样一个暗能量造成了宇宙的膨胀加速，这是目前的情况。
那我和一些其他的宇宙学家，我们也有另外一种猜测：我们认为宇宙膨胀加速的力量不是来自于暗能量，而是来自负质量反物质，也叫负能量反物质。
大家要注意一点——这个负能量反物质和反物质本身不是同一个概念。
我们认为宇宙中有4种有形的组成物质：正质量的物质和反物质，负质量的物质和反物质。
在正质量的物质和反物质形成的宇宙面，正质量的物质存留了，反物质消失了，所以我们在宇宙中探测不到这个反物质。那么，在负质量物质形成的宇宙那一面，情况正相反，负质量的物质消失，反物质物质存留。
那么你可能就会问，这个负质量的宇宙中是不是会有他们组成的智慧生物？
我个人认为没有，没有这个反物质组成的智慧生物。
为什么呢？
一个从数学推算来讲，在负质量世界，构成星体、构成物质所需要的时间是非常非常长的，所以从理论上来讲，反物质构成智慧生物恐怕是很难存在的，当然这个是我个人的见解。
Q8：巡天测量只能靠红移值测星体远离或靠近我们的速度，而不能测量横向移动的速度分量，那么我们怎么知道那颗星星的本动速度是往左还是往右？
测量星体跟我们接近和远离的速度，只靠红移值的确不能测量横向移动的速度。
但是在某些情况下，我们可以采用一些其他的方式进行推测，比如说旋星系，旋星系发射的形状像一个磁盘。
那么取决于我们所观察旋星系跟我们视角的关系：也就是说，假如我们把观测的星系设想为一个盘子，这个盘子平躺的时候我们看到的是一条线，这个盘子直立的时候我们看到的是一个圆形，但是这盘子如果是倾斜的，我们看到的是一个椭圆形。
只有在这第三种情况下，也就是说我们观察到的星系呈现椭圆形（倾斜视角），那么这个时候，根据多普勒效应，我们可以计算出旋星系星体物质的速度，然后通过静向分量来推测横向移动分量。
这个静向分量，你们可能知道，就是曲线运动和切线垂直的那个分量。但是假如这个星系和我们观察角度是平行的，或者是垂直的，比方说好象是一个盘子平躺着或者是一个盘子完全立着的这种情况下，我们目前确实是没有办法测量它的横向移动分量。
棒旋星系 | 图片来自少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》
Q9：我们看微波背景辐射是四面八方的，那是138亿年前的光线；而看星星的光是来自固定方位的，最远的也有130亿年前的。
那么在微波背景辐射到星星形成之间的这一段时期（138亿年前-130亿年前），我们看到的是什么形式的东西？来自四面八方的还是固定方向的？
138亿年前，那个时候发出来的微波背景辐射和最古老的星群产生之前，这一段时间实际上我们是什么都观测不到的。为什么呢？
因为这段时间里没有任何能够发射出来光线，在宇宙学上这个什么都观察不到的阶段是有一个专门的名称的，我们叫宇宙黑暗时期。意思是说在这个时期没有任何光波发出来，所以我们什么都看不到，这是问题的第一部分。
第二部分，宇宙在极大尺度的情况下有一个基本属性，就是各向同性，也就是说我们观测到的波与宇宙所处的年龄没有关系。
不管是微波背景辐射，还是宇宙当中的某个星星发出的光，都是来自四面八方的而不是同一个方向，都不是固定一个方向的。
Q10：如果说宇宙是有限无界，那么是不是任何观测者都可以把自己当成宇宙的中心？那么2000年前托勒密的“地球处于宇宙的中心”的理论是不是就可以成立？
关于这个宇宙中心的问题，宇宙所谓的有限无界，实际上是因为宇宙是N维球面状。
N维球面状，我们很难用视觉来想象它的样子，但我们可以简化一下。以我们地球的二维球面为例，你站在地球上的任何一个地方，如果你往四周看，能看到的地方有限，但远处的边界是无限的，你就会感觉你站在中心点的地方。
地球的球面正好也是有限无界的，地球的球面面积有限，但是球面是没有边界的。
你站在任何一点往外看，都觉得自己是中心，如果站在任何一点往外往四周看都感觉是中心的话，意味着任何一个观测点与其他观测点相比都没有优先权。所以从这个角度看，就很容易理解为什么没有一个真正的中心。
那么如果我们把我们地球表面的二维球面体往多维扩展以后，其实与宇宙里面没有中心的这个意思是一模一样的，就是你从任何一点向周围其他方向看的时候，都觉得自己是中心。
如果任何一点都是中心，那肯定是没有中心的。
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- 分享中收集到的问题解答 -
问1：博士爷爷您好，我是Alex（猫娃），我今年刚满6岁。我很喜欢了解宇宙的奥秘，虽然读了这期杂志，但是有几个问题我还是不太明白，想问一问：宇宙为什么会大爆炸呢？宇宙的最后一天会是什么样的呢？
更正一下说法，宇宙是在大爆炸后诞生，这是一个假说。
少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》中P40《宇宙大爆炸》的文章介绍了详细的这种假说为什么诞生，人们现在获得了哪些证据。
对于宇宙是否会终结，存在很多争论，少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》中P94《宇宙会终结吗？》有详细阐述，可以看看不同科学家通过哪种角度考虑这个问题的。有些还在自己的假说下，提供了参考时间表。
问2：在我们的宇宙压缩的时候，我们是逃出宇宙,还是和物质一起压扁？如果是逃出宇宙，我们能不能去别的宇宙？如果是被压扁,暗物质会不会也被压扁？
这个问题也在少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》中P94《宇宙会终结吗？》有详细阐述。
首先你要确认的是，宇宙为什么压缩？
因为很多科学家有不同的观点（少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》中P97图示）。
另外如果发生终结，将是宇宙的终结，宇宙内所有物质的终结。
问3：开普勒22b真的是第二个地球吗？
如果你知道开普勒探测太空的原理，就知道以目前人类掌握的信息还无法判断系外行星是不是地球。
只能说它在某些指标上有可能，是候选者，少年时No.01《宇宙大搜索》对人类现在探测系外行星的说法有详细的说明。
问4：本系星群有多大？
本星系群的大小科学家有过测算。
在NASA上发布的数据是，是包括30多个星系，直径约为1000万光年；另外有天文学家研究是50多个星系，直径约为1000万光年。
问5：世界是有限无界的吗？
科学家在第十个问题中已经回答，对于宇宙的基本属性可参考少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》中P58《大宇宙的基本属性》。
问6：请问宇宙外面难道还有另外一个类似宇宙的空间吗？
可参考少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》中P86《多重分身》。
问7：暴胀是不是超过了光速？
这要看你对光速如何理解，科学家在第二个问题提出了他自己的看法。关于暴胀理论描述的具体过程，可参考少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》中P67《暴胀让宇宙成型》。
问8：迄今为止，宇宙探索到了最远的地方是哪里？是指人类对宇宙的了解？
理论上，人类可以观测到的范围可参考少年时No.24《观测宇宙和推测宇宙》中P64《宇宙的疆域》。
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-The End-
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