【新书速递】 《宇宙小史》——人类对宇宙的认识还在路上

袁业飞

中国科学技术大学 物理学院天文学系教授

袁教授，1999年6月获中国科学技术大学天体物理专业博士学位。2001年1月被破格聘任为中国科学技术大学副教授。2005年12月晋升为教授。1998年获中国科学院院长奖学金优秀奖。入选2005度教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2002-2003被教育部国家留学基金委以高级访问学者的身份选派到美国哈佛大学天文系访问一学年。2001，2004年曾应邀访问香港大学物理系，并作合作研究。目前主要承担高年级大学生和研究生的《天体物理概论》、《热力学与统计物理》、《理论力学》、《广义相对论》和《相对论天体物理》的教学工作，并从事以相对论天体物理、致密星物理为主要研究方向的理论天体物理的研究工作。目前参加的主要学术团体有：国际天文联合会（IAU）会员，中国天文学会会员。

爱因斯坦说，宇宙最不可理解的是，它是可以理解的。目前，我们对138亿年前整个宇宙的时空性质、物质组成，以及它们的演化状态的了解已精确到百分之一。这比我们对地球内部物理性质的了解要精确得多。正因如此，大多数天文学家认为，当前宇宙学的研究已进入精确宇宙学时代。与宇宙的年龄相比，人类的历史非常短暂，人类早期对宇宙的认识还停留在哲学思辨，甚至玄学阶段。我们是怎么精确知道宇宙的早期状态及其演化历史的呢？或者说，宇宙学是在什么时候，在什么条件下成为一门成熟的科学的呢？

从时间和空间跨度上来看，宇宙对人类来说遥不可及。人类科学地认识宇宙主要基于如下两个基本假设。一是物质存在形式的普适性，也就是说，无论在地球上，还是在宇宙深处，只要物理条件相同，物质的存在形式就应该是相同的。二是物理规律的普适性。同样，人类在地球上发现的物理规律，在宇宙任何地方，只要物理条件相同，就应该适用（当然，我们也要小心，受制于地球的体积，可能目前发现的物理规律只是近似成立）。为了研究宇宙的演化，我们需要哪些物理理论？答案是量子论和相对论。量子论和相对论是现代物理学大厦的两块基石。1900年，普朗克推导出黑体辐射公式，并提出了光子的概念。因此，1900年被称为量子元年。现在我们知道，像光子、电子、原子、分子、夸克等微观粒子都遵循量子论。1905年，爱因斯坦在前人的基础上提出了狭义相对论，统一了时间和空间，称之为时空。1916年，爱因斯坦提出广义相对论，统一了时空和物质。根据广义相对论，物质存在于时空，因此，时空性质决定物质的运动，反过来，物质的存在和运动会决定时空性质，即弯曲程度。广义相对论创立之后，1917年，爱因斯坦立即用他提出的引力场方程研究宇宙时空的演化，这标志现代宇宙学的诞生。宇宙是由时空和物质组成的，研究宇宙的历史，就是要同时研究宇宙中时空和物质如何相互作用，以及由该相互作用导致的时空和物质的演化。因此，只有广义相对论，才能胜任这项工作。按道理来说，宇宙学研究的是像星系这样宇观尺度上的物质，为什么需要量子论这种微观粒子遵循的理论呢？这是因为1929 年哈勃等人发现宇宙在不断膨胀。反推过去，宇宙早期应该存在高温高密的状态，所有的物质都被打碎成夸克，甚至更基本的微观粒子。也就是说，宇宙早期是由大量微观粒子组成的宇观系统。在宇宙早期，宇观和微观很神奇地走向统一。根据量子论，我们可以计算出宇宙早期的物质涨落，虽然它们非常微小，但是它们随着宇宙的演化，不断放大、增长，导致星系的形成，并最终导致人类的诞生。现在我们已经建立以宇宙大爆炸为核心的宇宙学标准模型。该模型的建立主要基于如下几个重要的天文观测结果。一是1929年哈勃发现星系正在退行（最重要的观测结果）：遥远的星系都离我们而去，而且离我们越远，退行速度越快。哈勃定律为我们描绘了宇宙正不断膨胀的图像。二是彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现了宇宙微波背景。我们对宇宙138 亿年前状态的了解主要来自宇宙微波背景。简单来说，宇宙微波背景是宇宙138 亿年前留下来的“化石”。它基本保留了宇宙138 亿年前的状态，宇宙微波背景光子经过长途跋涉，沿途受到少量我们可以认识并可以忽略的各种影响，最终被我们在地面和空间的射电望远镜侦测到。三是1998年天文学家通过将Ia 型超新星作为宇宙的“标准烛光”，发现目前宇宙在加速膨胀，该结果强烈暗示宇宙中存在暗能量。

上面这些内容就是这本《宇宙小史》的主题：宇宙学最基本的问题就是要弄清楚宇宙的时空性质、物质组分及其演化。要彻底研究清楚这些问题，至少要求研究者熟悉以广义相对论和量子论为核心的现代物理与天文学知识。我很高兴地发现，这本书的作者以通俗的语言，通过大量类比，专业、准确地解释了人类是如何通过天文观测和物理推论认识宇宙中的各种物质组成（辐射、普通核物质、暗物质和暗能量）、时空性质及其演化的。正如作者在最后一章讨论的，人类对宇宙的认识还没结束。

暗物质和暗能量（宇宙学常数）的物理本质是什么？

宇宙早期通过量子涨落产生的原初引力波能否被观测到？

广义相对论在宇宙大尺度中是否正确？

这些问题都是物理学和天文学交叉领域的前沿研究课题，目前还没有确定的答案。希望年轻的读者能通过这本书了解宇宙的演化历史，树立正确的科学观和宇宙观，甚至加入专业研究者队伍，共同探索宇宙的奥秘。在此，我用2009 年国际天文年的口号勉励大家——我们的宇宙，我们探索。

定价：69.00 元

书号：978-7-5217-3889-6

作者：[美]莱曼•佩奇（Lyman Page） 著

出版时间：2022-3

版次：1

印次：1

字数：150千字

页码：208页

开本：32开

[美]莱曼•佩奇（Lyman Page）

普林斯顿大学物理系主任，美国国家科学院院士，美国艺术与科学学院院士。他是观测宇宙学方面的专家，也是威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）最初的联合研究者之一，该探测器用于对宇宙年龄的精准测量。2010年，因在解开宇宙年龄方面取得的重大成果，获得被誉为“东方诺贝尔奖”的邵逸夫天文学奖。2018年，因为“WMAP 实验团队绘制了早期宇宙的详细地图, 升级了人类对宇宙演化的认知”获得了2018年基础物理学突破奖。

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3. 天文王善钦专栏

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编辑：黄琦

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