导读本期视频，袁老师邀请天文学家蔡一夫老师来给我们讲讲宇宙学的那些事。注：风云之声内容可以通过语音播放啦！读者们可下载讯飞有声APP，听公众号，查找“风云之声”，即可在线收听~
这期的PLUS蔡一夫老师主要向我们介绍了宇宙学的发展。不过小猿最感兴趣的还是老师说的科学家们的故事。比如天文学家霍伊尔嘴上老说着不相信宇宙大爆炸理论，实际上却推动了这个理论的创生还有发展。而蔡一夫老师自己，年轻时不知江湖水深，稀里糊涂入了坑。在指出罗伯特·布兰德教授论文的计算错误之后，他就被布兰德教授拉入了粒子宇宙学的坑。
最后蔡老师也提到了我们中国在宇宙学说研究上的不足，我们现在在实验观测方面还没有做出贡献。好在中国也没有忽视这个问题，大概在2016年的时候就将阿里原初引力波探测计划立项了，而研究需要的观测台现在也建成一部分了。起步是晚了点，但有总比没有好。希望未来在人类探索原初引力波的历史书上，中国能够留下浓墨重彩的一笔。
量子的单重态和三重态：
虽然不是学天体物理的，但是是天体物理把我吸引进物理科学的，当时听到中子星，白矮星，暴胀理论真的很吸引人
这就是子祥：
袁岚峰：大家有没有听说过有一个学科叫做宇宙学？实际上面对浩渺的星空，任何人都会对这个宇宙感到敬畏和兴趣。但是在古代我们还完全没有办法用科学的办法来研究宇宙，所以我们看到的，无论是中国古代的两小儿辩日还是德国哲学家康德的二律背反，其实都只是一些哲学层面的语言游戏。但是到了20世纪初，爱因斯坦提出了广义相对论，哈勃通过实验观测发现宇宙在膨胀，从此之后宇宙学就脱离了哲学，变成了一门科学。后来呢，这宇宙学取得的进展之多、之大是令人惊叹的。我的同事、科大天文系的蔡一夫教授就是这个领域的一个活跃的研究者。蔡一夫：大家好，我叫蔡一夫。我的研究领域叫粒子宇宙学，那么它顾名思义是粒子物理与宇宙学的这么一个相互融合的这么一个学科。蔡一夫：无外乎就是研究我们的宇宙的过去、今天和将来，希望通过一个合理的这么一个理论，先去理论性地假设性地去描述它的整个的演化历史，然后去与我们现在的宇宙学实验观测进行比较，看它的吻合程度有多好。那么如果说通过这些实验观测验证了或者说确定了在当前的有效范围内这么一个理论是正确的，那么我们可以拿这个理论去预言我们的宇宙未来可能存在什么样的命运。蔡一夫：关于宇宙的命运的预言差不多有100年的探讨了，那个时候咱们人类的宇宙学观测也就天文学观测还没有逃离银河系，我们那时候就有点像井底之蛙，就一只青蛙坐在井底，我只看见了那么一小块天。但是就凭着那么一小块天，特别是爱因斯坦，他猜测出说我们的宇宙可能在更大尺度上，它是各向均匀各向同性的，我们把它叫做宇宙学原理，就是cosmological principle。到了30年代，美国的天文学家哈勃，他有一系列的这种得天独到的一个优势，有了一个天文台，然后有了当时最先进的一个天文望远镜，那望远镜我要没记错的话，口径大概已经是五六米的望远镜。他应该说是第一个真正把视野投到银河系之外并且看到了系外的这些星系的演化。所以在那之后的话，那么我们逐渐就开始了对于大爆炸宇宙学的这么一个建立。大爆炸宇宙学的这么一个演化历史从它的一开始的创生，事实上就跟微观世界的一个疑问是密不可分的。为什么呢？在那个时期，在40年代、50年代的时候，有很多的人在问一个问题，我们的宇宙中它的元素的丰度是怎么来的？一开始是跟宇宙的动力学演化是没有关系的，它只是在问一个元素，它是一个微观世界的问题。当时像伽莫夫还有他的阿尔菲，还有一个贝特最早利用，当然那时候还没有用到粒子物理，那时候用的是仅仅是用了核物理的知识，提出一个大爆炸理论，所谓的叫做原初核合成。
然后在这个原初核合成被提出来之后，很快他们就通过计算能够给出来了几个非常重要的应该说是理论预言。一个理论预言就是关于我们宇宙中最主要的是氢，小部分是氦，那么剩余的这些元素是非常非常之少的。袁岚峰：它们是如何通过氢和氦合成出来的，这就是有趣所在。蔡一夫：对，并且在那之后，其实他们就已经知道了我们的宇宙应该存在着一个当时的条件是无法可见的一个微波背景辐射，最早是算出来的温度有点偏差比较大，在最早的时候是我记得，一开始算出来大概是50开尔文。蔡一夫：对，然后再花了将近十年的时间再把它纠正到大概4个开尔文。蔡一夫：对，他们又花了十年时间，到了大概60年代的时候，就降到了3个开尔文。
蔡一夫：宇宙微波背景辐射实验在被那两位Arno Penzias和Robert Wilson，对他们两位这个是贝尔实验室的，所以宇宙微波背景辐射的这么一个发现在当时应该说是和其他的三个天文重大发现被誉为当时的上世纪60年代、70年代整个天文的四大发现（踏过宇宙涟漪，我心澎湃依旧：2019年诺贝物理学奖的故事 | 袁岚峰）。那个时候我们人类对于宇宙的认知特别它的动力学的认知仍然是以稳恒态宇宙为主流观点，包括爱因斯坦在早期的时候。
袁岚峰：就是说到63年发现微波背景辐射之后才算是验证了。蔡一夫：对，才被验证了，在那之前的时候还是停留在一个理论上的一个图像，所以比较有趣的是，背后有一个故事就是关于霍伊尔的故事。
蔡一夫：霍伊尔他是个非常有趣的一个传奇人物，他是一个非常知名的英国天体物理学家，应该说在当时关于宇宙的认知宇宙的研究。他应该是代表了最所谓的主流和最前沿的这么一个方向，并且他的一生是坚实地捍卫着稳恒态宇宙。但是他的一生的贡献却为推动大爆炸宇宙学的发展特别它的创生起了至关重要的作用。曾经有一次他接受BBC的当时的电台采访，然后BBC就问他关于大爆炸理论的这么一个……当然没有大爆炸这个名词。就说宇宙膨胀说是怎么一个看法。于是他就非常不屑并且很讽刺地说了一句：“我从来不相信一个所谓的Big Bang Theory的一个大爆炸的理论。”蔡一夫：对，他一生最反对的理论，事实上这个名词就是这个名字是他取的。而且他很有趣的是什么，这也是一个很小的一个小插曲。如果大家读过霍金的《时间简史》的话，可能了解到，霍金在最一开始去求学的时候找的就是霍伊尔。蔡一夫：没有，霍伊尔把他给拒之门外，他把一个非常有天分的一个学生、一个未来的冉冉之星拒之门外以后，亲手把他送到了大爆炸宇宙学的领域。袁岚峰：用我们现在流行的话说，我们不都把川普称为川建国嘛，这位是霍建国，这是非常感人的故事。蔡一夫：在60年代之后，大家发现了宇宙微波背景辐射并且开始有逐渐更多非常详细的观测以后，还有结合当时的光学的这种天文观测，我们逐渐地越来越多的人就站到了大爆炸宇宙学的这么一个阵营当中。蔡一夫：emmmmm一定程度上讲，稳恒态宇宙总会有那么一些人会去想办法去挽救的。这就像直到今天，当然这个是课外话，还是会有人去相信地球是平的。蔡一夫：对，那么当然就回到了当时，当我们越来越多的人相信大爆炸宇宙学之后，于是就开始也随着美苏冷战升级，它们两个国家都在想办法想要设计实验去精确测量宇宙微波背景辐射去寻找其中还有更多什么样的奥秘。那么美国的宇航局就是NASA，它是80年代立项，然后宣布开始去发射卫星实验去精确测量宇宙微波背景辐射。那么这个卫星是1989年发射上天，然后叫做COBE。
那么这个卫星上天之后运行了三年，1992年是开始公布数据，那么这个实验非常非常重要，它其实做了几个非常重要的贡献。一个就是说精确测量的温度，在那之前的时候，我们并不知道我们宇宙温度到底是3开尔文还是2.9开尔文还是2.8开尔文。并且在那个时候它把一些，比如说卫星的自身的轨道的扰动扣除之后，隐约地发现这张照片上面就是宇宙的这种谜底照片有一些温度上的涟漪。袁岚峰：它还是有些起伏的，它并不是完全均匀的，这个就是有趣之处了。蔡一夫：它应该说是第一次人类发现了我们的宇宙的温度是有涨落的，所以这个工作后来是在2006年被授予了诺贝尔物理学奖。蔡一夫：对，当时两位嘛，一个是乔治·斯穆特，还有一个叫约翰·马瑟。
约翰·马瑟非常有趣，他当时1992年那个时候在公布数据的时候，他们都是实验家，他们自己也不知道这张照片的意义所在，重要性。所以当时新闻发布会现场，他作为一个实验（家）特别是一个非常耿直的人，所以耿直boy，那么他就很老老实实把他们的发现全从头到尾讲完了，没有任何的这种戏剧性。直到他把这个报告做完之后，底下沉默了一分钟。
蔡一夫：不，结果大家踊跃地爆发出来了雷鸣般的掌声。蔡一夫：这个科学家不知道，然后呢，所以有一张非常有名的照片，就是约翰·马瑟在这报告当中手指着他的这张照片，然后手舞足蹈，这张照片事实上是报告讲完之后记者让他摆拍的。
蔡一夫：所以在那之后的话，慢慢地进入到了人类去精确测量宇宙学的这么一个时代，所以第二颗宇宙微波背景辐射卫星实验是在1999年发射上天，然后大概是2002年2003年开始，2001年2002年就开始公布数据。第二个卫星就是WMAP，叫威尔金森各向异性探测器。
所以这个非常了不起的是什么，就是在过去我们的实验观测的温度精度，大概是10-3开尔文的这么一个涨落，一下子把它提高了大约是10-4到10-5开尔文的这么一个量级。蔡一夫：两个量级，对，那么这个之后的话，这是美国人发射的第二颗卫星，在一定程度上讲，美国人在科学实验的这种态度和他的这种成本的考虑上面他是非常认真的。所以他们在做实验设计的时候，他们提出了用一个机械制冷的方案，所以这个卫星当时设计的时候，它的使用寿命大约是2到3年，但是这个卫星最后是超期服役了将近十年时间。一直到2009年的时候，人类的第三颗宇宙微波背景辐射实验就是欧空局，这是轮到了欧洲，欧空局那时候还是刚刚推出欧元，所以比较阔气，心气挺高的，于是他们发射这个第三颗卫星叫普朗克卫星。
袁岚峰：OK 原来普朗克是这么来的，这三者之间是一个接力的关系，从COBE然后到WMAP然后到普朗克。蔡一夫：然后到普朗克，对，那么普朗克卫星欧洲人的都是一种贵族情怀，所以咱不缺钱哈，好，那咱就用液氮液氦去做制冷。于是液氮液氦制冷它有个困难，你一旦做制冷它会泄漏，它会有一个使用寿命，所以普朗克事实上从2009年发射上天，到了2012年2013年的时候就已经停止运转了。普朗克它成功之处在于它在原来的基础上做了更高程度的一个精度的提高，大约又提高了1.5个数量级。
蔡一夫：10-6、10-7这个附近，并且在此之前我们只能测量它的幅度的大小的变化。蔡一夫：对，相位也就是它的极化，就是它的偏振，所以它应该说是第一个精确地做了一个CMB光子中的偏振，其中E模偏振的这么一个巡天测量。袁岚峰：您刚才说的那个CMB就是宇宙微波背景辐射。蔡一夫：对，所以截止到目前我们走到今天，实际上是基于在过去的近半个多世纪的这么一个理论发展以及过去这几十年里面的实验上的一个台阶一个台阶的走到今天的。袁岚峰：那么根据这些实验观测，你们是做出了什么样的理论的预测呢？蔡一夫：从我自己从事这个粒子宇宙学，特别是围绕宇宙早期的研究，应该说是2006年开始做的。当时我在高能所跟张新民老师，我的另外一个导师是张新民老师的一个好友，是在加拿大的麦吉尔大学的一位首席科学家，就是Robert Brandenberger教授。他当时是处于一个sabbatical 就是带薪休假，然后看到他来了以后我就过去主动跟他交谈，然后我就问到说，这个宇宙早期有什么可以去关心的。于是他就给了我一篇在当时跟Fabio Finelli，他之前的一位博士后，现在是在日内瓦大学的一个教授，他们在一起当时有一篇非常重要的一个工作，一篇文章是2001年发表的，跟我说你可以自己去寻找一些答案。然后当时年轻气盛也不了解，也不知道江湖水深，于是把这个文章拿回来以后，我就在当天晚上就开始在重演他的计算结果。蔡一夫：第二天我就去敲他的门，我说，Robert先生，我发现你这个文章里面有好多错误。蔡一夫：我们都是很耿直的人，Robert Brandenberger他说，这是黑板，你开始算吧。那我推演完了以后我告诉他，哪个地方他应该去做修改，然后这个时候Robert先生就是露出了一丝……蔡一夫：狡黠的微笑。就问我说你对这个方向有没有兴趣，因为这篇文章探讨的就是宇宙的起源，那么到了2012年的时候，那个时候是我在美国亚利桑那州立大学完成了第一期博士后，当时的合作导师就是Damien Easson，他也是个很年轻的一个导师。然后在和Robert Brandenberger，我们三个人提出了来一个非常重要的问题就是，我们的宇宙如果是不是来自大爆炸的话，那么它可能来自什么样的起源，那么其中一种很重要的一个理论起源就是所谓的反弹起源。但是如果它真的是一个宇宙是从一个收缩宇宙反弹到今天的膨胀宇宙的话，我们理论上需要具备哪些条件才能认为这么一个理论图像是正确的。
袁岚峰：这儿需要解释一下，什么叫做不是来自于大爆炸。你前面不是已经说绝大部分宇宙学家都公认大爆炸理论正确了，为什么会提出这个问题？蔡一夫：所有的物理理论都逃不过一个认知，那就是所有的理论它都有一个有效范围，那么大爆炸宇宙学其实从它的诞生开始，例如说它最一开始它去描述的时候是描述的我们宇宙在创生之后三分钟才开始有效。为什么？是元素核合成，最轻的原初的元素核合成是大爆炸之后3分钟到20分钟才完成的这么一个时期。我们乘坐这么一个宇宙列车，真的是随着时间反演回溯到了138亿年前，精确到这么一个时间段之前，我们会发现所有的列车都回到了这么一个初始点、始发站，而这个始发站会有太多太多的这些粒子的积累，导致了在这一点上它是一个无穷大，包括它的温度，包括它的能量密度，这是在数学上还是在物理上都是让人难以想象、难以去理解的。这就是为什么导致了另外一种可能的这种宇宙学图像，就是认为我们可能有过这么一个反弹，就类似一个列车的一个枢纽，那么是所有的列车从一边从另外一边是进来，然后从这儿又一起出发，但是它又不会遇到这么一个发散点。袁岚峰：关键就是说，这样就避免了无穷大是吧，所以就没有任何一点是特别的。蔡一夫：对，我认为我在这领域做的最重要的贡献实际上是在2012年的时候，用一篇文章去举例说明我们是有可能有一个非常完美的一个反弹。蔡一夫：一个所谓完美的反弹宇宙，我们是认为就像刚才一开始所说的，这个列车从一个收缩宇宙慢慢地，开进到这么一个所谓的终点站，而这个终点站对应的是一个膨胀宇宙的始发站是吧，那么我们能够让所有的列车准时到达终点站，并且有条不紊地穿越过这么一个枢纽之后又同时能够发射出去，开始准时的发车。袁岚峰：非常感谢蔡老师向大家介绍了他们这个学派，就是这个反弹宇宙学学派的现在的状况。那么实际上这就让大家明白宇宙学它仍然是一个非常活跃的前沿，它还是有很多个学派在竞争的。那么请问能不能介绍一下还有其他哪些学派？蔡一夫：关于我们的宇宙的起源的学派问题，目前应该是处于一个百家争鸣的一个状态，应该说最主流的当然是基于一个大爆炸，并且在上世纪70年代80年代衍生出来的一个所谓的暴胀理论，它描述了我们的宇宙在创生之后，大约10-30秒左右的时间，它的体积被放大了大约10-80倍，这是个非常非常迅猛的一个加速过程。那么这个图像实际上是为我们的宇宙中今天所看到的比如说大树结构形成提供了一个非常重要的起源，就是它的种子怎么来的，这是一个我认为是目前最主流的一个学派，并且很多的实验观测也是瞄准了这个暴胀宇宙进行去检验和验证。那么除此之外还有就是我刚才所介绍的反弹宇宙学，它认为我们的宇宙是在大爆炸之前经历过一个收缩过程，并且通过一个非奇异的一个反弹相。袁岚峰：所以你们这个宇宙图像像个漏斗是吧？两端粗中间细。袁岚峰：那么你们跟这个暴胀是什么关系？你们认为存在暴胀吗？蔡一夫：反弹的主要目的是去解决大爆炸的奇点问题，还有一个很有趣的一个话题是由George Ellis，一个非常有名的一个粒子宇宙学家，包括像Robert Brandenberger本人他也参与过，认为我们的宇宙在极早期可能会由于一些比如说量子引力的效应，使得宇宙在极小尺度上是不可被压缩的。例如说它是个弦论所描述的这么一个宇宙的话，那么它就会有一个最小尺度，那么它的……蔡一夫：弦论的尺度比普朗克尺度稍微要再大一点，要宽松一点。那么在这种情况下宇宙不可被压缩的话，它也就是说会无限地趋向于一个看上去是一个静态宇宙，这叫做emergent universe，就是浮现宇宙学模型。那么这个研究的相对来说是比较冷门一点，而且它在跟实验上的结合，是缺乏很稳定的这么一个衔接。袁岚峰：你们主要的预言就是对于微波背景辐射的精细结构。蔡一夫：其实特别是它的原初引力波，所以这是为什么我们现在非常重要的一个科学目标，特别是下一代的，不光是我们中国，国际上也是，我们最重要的一个科学目标。袁岚峰：那就是到目前为止，中国还没有在实验观测这方面做出贡献，这是我们下一步要努力的目标喽。蔡一夫：对，中国关于这个问题是非常有趣的。咱们中国实际上早在大概是2010年的时候，事实上咱们中国的一些科学家已经提出来过做这方面的尝试，因为那个时候我们中国在南极的昆仑站实际上有很多的这种科考实验的布局，但是条件仍然是非常非常之艰苦，而且应该说它科学的准备还是差得比较远。所以一直到2014年的时候，由中科院高能所的这些一些科学家们提出说，能不能在咱们中国去寻找合适的观测台址做地面实验，因为咱们做实验就是说迈步子不能迈得太大。所以第一步想要去做实现测量的话，我们需要从地面上做实验，然后我们将来可能会考虑太空实验，我们如果做地面宇宙微波背景辐射实验，我们的最重要的科学目标或者说是其中令人最兴奋的点在什么地方，我们当时就认为，有可能能够去寻找来自宇宙早期的引力波信号。蔡一夫：对，就是原初引力波信号。那么当时提出来之后也是经历了相当长的这么一个磨合和挫折。2016年……袁岚峰：这个就大大的推动了我们对于这个事情的重视。蔡一夫：在2016年的我记得如果没有记错，是2月……蔡一夫：大年初四我的手机响了，接了一个电话是一个记者打过来的，他问我说，蔡老师能不能评论一下引力波？然后我当时那个下巴就差点掉下来了，我说我这辈子从来没遇到过谁关心过我什么引力波的科学。到了2016年的12月、2016年底的时候，那么这个项目就是正式被中国立项。那么在地面做实验的话，它就依赖很强地依赖我们的台址的选择，我们把目光转到了另外一个地方。蔡一夫：就是咱们所谓的世界的第三极，也就是咱们青藏高原上，海拔5250米不算太高，离珠穆朗玛峰还差大概3000米左右。在这个地方应该说是我们找到了我们的理想地，非常完美。它的大气中的水汽含量非常低，然后非常干燥，一年中的可视天气就是可观测这个天啊，将近一年中有一半的时间可以适合观测，所以这是非常非常理想。袁岚峰：作为一个对比，其他地方的这个可观测时间能占多少比例？蔡一夫：我举个最简单的例子吧。咱们国际上天文的一个观测的就是一个圣地，夏威夷 Mauna Kea，在夏威夷，它这个是非常合适的，因为为什么，它是一个在一个岛上，然后在岛上的周边应该说还是因为靠海还是有水汽，但它在中间的时候一个啪的一下子拔出来了一个4000多米的一个高峰，这个Mauna Kea就是4000多米的高峰，在顶端，那么突然地把这个……你要知道海拔超过3000米左右，平均每一百米它的气候是完全不一样的，所以超过了也就是从3000米朝上大概1000米的这么一个距离，就能够让水汽能降到合理的环境，那么这个应该说是在目前为止国际上应该是最理想的。Mauna Kea的理想的这种观测一年当中最多最多也差不多也就只有半年不到的时间，所以说应该在这一点上讲，我们西藏的阿里应该说是可以跟最好的国际上最好的观测点是可以去相媲美的。
蔡一夫：对，我们这个阿里项目，如果有机会欢迎大家去。蔡一夫：截止到目前，我们在那边已经完成了它的观测舱的建设以及望远镜的基座建设。关于AliCPT的这个项目，我认为它是一个非常非常重要的这么一个，咱们中国推出的一个属于自己的引力波探测项目。而且在目前为止，咱们虽然说中国已经开始了关于引力波探测的一个全方位的布局，要承认的一点就是咱们中国在这方面应该起步是晚了很多。他们在早在比如说卫星实验1989年就上天了，对吧。那么在地面实验上面，我们也远远落后于其他国家，但是很巧合的是，应该说这是大自然赋予我们中国的一个礼物，目前为止所有的地面宇宙微波背景辐射实验全部都是在地球的南半球，要么在南极，要么在智利，都在南半球。那么一个很自然的问题就是，如果我要看夜观星象，要看这个天，我们不能只看南半球。蔡一夫：但是这就要靠老天给不给这么一个理想的观测地，那么目前为止北半球的最理想的观测点就是在西藏阿里，我们应该说是上天赋予我们的一个礼物。爱因斯坦小时候有道题没想通，想着想着就改变了物理学 | 科技袁人
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背景简介：本文是“科技袁人Plus”视频节目第25期的介绍，视频发布于2019年12月4日（https://www.bilibili.com/video/av78054679）。