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曾参演《生活大爆炸》的诺奖得主解释为什么宇宙有这么多星系

8月11日消息,8月10-12日,世界科技创新论坛在北京会议中心举办,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在内的20余位诺贝尔奖获得者,以及中科院院士曹春晓、美国国家工程院院士陈刚等诸多中外顶级学者专家应邀出席,共同打造史无前例的中国最高级别智慧盛宴,探讨全球科技创新成果、描绘未来中国科技创新蓝图。

▲George Smoot,2006年诺贝尔物理学奖获得者、伯克利加州大学物理学教授

著名的天体物理学家、宇宙学家,2006年诺贝尔物理学奖的获得者George Smoot教授,和我们心目当中的物理学者不太一样,他真的是跨越。他曾经在当红美剧《生活大爆炸》中扮演角色,扮演他自己,看美国的电视节目,你比五年的小学生更聪明,并且赢取了百万美元的奖金,下面我们用热烈的掌声欢迎George Smoot先生为我们带来分享。

以下是演讲全文:

非常高兴能够来到这里,刚才大家听到了现实世界的一些问题。刚才是Richard J.Roberts第一次向我做这样的一个介绍,他也发起了一个运动,希望诺贝尔奖得主共同呼吁支持这个话题,我认为能源问题、转基因、气候变化、健康等等,这些都是现实世界存在的问题。

但是,今天我想讲一个我自己非常喜欢的话题,我研究的是宇宙学。我想介绍一下我们的地球,实际上在整个宇宙当中是多么的小,实际上要由我们自己来了解一下地球上的问题,并且解决这些问题。因为,今天早上我在演讲当中也提到过没有第二个地球了,我总会告诉我们的学生你有一个A计划,如果A计划成功最好,如果不成功的话你还有一个B计划,可是我们没有第二个地球了,所以一定要关爱我们的地球。

那最近我也是就气候和能源方面的问题花了一些时间了解了一下,我今天想讲一下现代宇宙学,我希望幻灯片上的中文是对的。我有一个研究生帮我纠正幻灯片上的翻译。我希望它是正确的,如果大家发现错误的话请告诉我。

我今天想向大家介绍的是我们到底源自什么地方,然后在科学上我们是否有证据来证明我们对宇宙的了解,以及对于整个人类来讲,这是一个共同的资产。之前,会有一些神话,就是我们的人类是怎么样诞生的。我们为什么是独特的,每种文化都有它自己的说法,中国有九龙之说,我知道每一个文化都有它自己的神话。但是现在我们讲的是同一个人类,那我们怎么样去做呢?

这个幻灯片上有一个非常知名的电视剧,叫做《犯罪现场调查》,这些侦查人员他们使用一些技术,来进行证据的采集,然后了解一下犯罪现场发生的事情。我们也想了解一下在宇宙的一开始有什么样的证据来证明宇宙的开始,我们通过这样的证据来重现整个宇宙,如果说这个犯罪是在宇宙发生的,当然我是希望能够积极地看待,就是说宇宙发生是非常好的事情。我们也会使用很多类似的一些技术,我们会去观察、我们会去寻找证据,然后进行电脑的模仿,然后试图了解一下到底是怎么回事。

这个就是收集证据,然后这里就是一个证据。

这张照片是被推选出的一张非常好的照片,如果大家看一下这个照片,你可以看到这里面有两种类型的东西,这些东西我希望我的激光笔能够点到,我还是走过去吧,像这样子的和这样子的,这些都是恒星,你可以看得出来他们是恒星,因为他们的特点。因为哈勃太空望远镜所观测到的这样的恒星,关于这些恒星还有一些物体是我们不知道的,而照片当中其他都是银河系,如果能够再扩展的话,还可以看到有上千个这样的星系,每一个天空当中恒星其实背后都有一个星系。

这就是我们要回答的第一个问题,为什么宇宙有这么多的星系呢?因为如果看一下这张照片,你会看到这个照片是月球的四十分之一,所以如果我们只是向天空中拍一个这样的照片,你会发现其实有很多星系的存在,那我们为什么需要有几十亿个星系呢?是不是一个恒星、一个地球就够了,一个星系就够了,我们为什么需要有这么大的宇宙呢?我们为什么需要有几十亿个甚至更多的星系呢?实际上存在的是有几十亿的星系,我们为什么需要这么多的星系,对工程师来讲、对科学家来讲,这就是大家想知道的问题,我也想请他们猜测一下有多少星系,有时候他们猜测比我们实际观测到的更多,有的星系可能观测不是非常完整的。大家可以看一下,里面有一些东西是比较大一点的,有的颜色跟太阳颜色差不多,这里有很多星系的展现,有一些比较大,大的离我们地球比较近一点,它们的颜色和太阳差不多,还有一些比较远、比较小的,是蓝色或者是白色的,这是我们觉得很吃惊的,就是靠近地球的,看起来不一样,这点一会儿再谈。但是离的比较远的它们的光需要更长时间传到地球,这是比较年轻的星系,比较年轻的星系更热、更亮。当然它们的形状也是比较规则的。

要回到我刚才的问题,有时候星系需要融合形成更大的星系,所以星系的数量不是恒定的。接下来有更多的问题要回答,如果想了解整个宇宙,必须解释一下为什么有上百亿的星系,是不是随着时间的推移它们会发生变化?像这样的房间为什么会存在呢?如果做宇宙学的研究要研究所有的东西,当然不用那么细节的解释,但是必须解释一下为什么有地球,为什么有这么多的恒星,到底是怎么样的规律,这就是我们的任务。我们非常的幸运,因为其实这个和其他我们遇到的问题相比并不是那么难回答。我们要使用一些初始的工具,如果我们看远太空的话,你会发现这个光传递的速度非常快,在酒店你想打开灯,其实这个是和外边,比如说光传递的速度是不一样的,那我们宇宙的规模是非常大的,我把这个图中间有一个中点,如果你再看一下月球,从月球到地球光传递的速度是非常快的,如果你有朋友去月球,你让他把手机给你,你说嘿你好约翰,两秒钟之后他会回答你好乔治,这就是信号传递的时间。有时候你会觉得很烦,但是能够和月球上面的人进行交流已经很不错了。

如果你要去太阳,那么就是不一样的速度。太阳到这个地球光线花的时间是八分钟,我这面拍张照是太阳八分钟之前的样子,通过手机马上捕捉的照片。但是如果你去最近的50个恒星的话,一般你要花的时间是十年。比如你去这个星球的话,很可能你到了那十年过去了,更远的要花100年的时间。通过刚才介绍大家理解了,如果做研究的话肯定有很多问题,如果去宇宙各个地方很有可能人做不到,一定要靠机器人做到,因为光年距离太长。如果你去比较近的星系的话,比如最大的星系,那边要花200万年。我这边通过显微镜看中国的话,从另一个星系看中国的话就能看到两百万年前中国的形状,那边基本上是没有人的,是荒芜的土地,这是离我们最近的星系。

我们现在生活在一个星系当中,我们太阳系是其中的一个星系,一个非常典型的星系距我们的距离光传播的时间要几百万年之多,如果要去特别远的地方,比如说宇宙是和太阳一样热的话,那差不多是140亿年前了。大约的一个水平,这意味着什么呢?我一开始讲早期比较年轻的星系看起来更亮,这对我们来说是惊奇的,因为我们说宇宙在膨胀,所以这样的光线不应该是蓝色、白色,但是我们现在看是蓝色和白色,因为我们有红移的现象。

我们如果在距离很远的地方看宇宙的话,那般有很多辐射,我也花了很多时间进行研究,我也写了一篇文章关于这一块的。我们说热点和冷点重量是一样的,这是题外话了。实际和太阳的表面一开始一样热,但是后来冷却了,然后这个光线我们能看到了,我们这边就有产生辐射的背景。作为天文学者、宇宙学家,我们希望能够测量,希望了解宇宙在不同时间段的样子。我的朋友以前是一个官员,每年他们会种一棵树,然后带过去一年、两年,然后就可以知道这棵树成长的历史。

然后你就可以知道这棵树整个成长的历史,沿着这条路走,不同年份种植的树,这是很好的教书的方式,也是可以很好的学习的方式,也可以更好的了解气候。但是现在我们只有一个宇宙,只有一个历史,必须要借用现有的资源,就是通过不同的距离拍摄宇宙的照片,我们一直这么做的,我过去也是专注于这点,希望能找到早期的照片,这是因为它能够提供更多的信息,因为如果你知道一个时期的正确的事实,通过线性回归的算法你就能够更准确的进行其他时间的判断。

我们生活的星系是螺旋的,中间的一个中心大家能看到,我们旁边的星系比较成熟,更远的这些星系就是很年轻的,刚刚产生的,这上面是一个横观图。这个照片上面应该放一千亿的星系,但是我没办法放那么多。有一个时期我们没有所谓的可视的架构,我们称之为黑暗时刻,然后就有了现在的宇宙。另外还有一段时机,我们认为宇宙开始了,然后光线也是变为可视。而这实际上我们能看到的范围,因为一开始的时候宇宙和太阳表面一样热,你只能看到太阳的表面,不能看到太阳的内部,除非有特别的光线效果,宇宙也是一样的原理。这些不同的星系都像太阳表面一样,而我的团队花了很长时间才拍出这张照片。这些不同的变化实际上是经历了很多的年份,而宇宙的表面看起来是非常的平,但是如果你看细节的话会有很多的差异点,这些差异点是演化的成果。这是我们几年前拍的照片,我们现在有非常精确的图,映射宇宙的整个过程,从这个阶段,我们对星系也有它自己的地图。这个星系看起来像一个平面的碟片一样,但是如果你从这个方向来看的话,就是这样的一个有点像半圆的效果。你可以看到不同的距离看的角度是不一样的,我们希望通过测量,然后我们也希望能够让它是连续的图像,但是这边技术有局限,但随着时间的发展应该产生的图像的效果会更好。

那我之所以和约翰·马瑟获得了诺贝尔奖,就是因为这张照片,我们首先是展示了宇宙辐射背景,也就是宇宙一开始的时候是有放射性信号的。然后我们也是生成了图,然后展示了不同的变量。因为我们找到了这些变量,实际上能够解释现状。然后我们也获得了很多的资金,让我们能够发明出探测器,然后通过探测器制图的精度更高,现在这个星系的信号对我们产生更多的干扰,所以会影响图像的分辨率,但是你可以看到上面展示的是比较高的分辨率的图像。我们十年就有一个成果,2009年的时候有一个新的卫星,叫普朗克卫星。我们2009年推出了这个卫星,从这个卫星上收集了很多的数据,两年半前停止了这个数据的披露,但是我们还在分析数据,因为量很大,通过这个数据我们相信未来会有更多的成果,你可以看到现在的卫星产生的图像的分辨率更高、看得也更清楚。当然有些地方比较模糊,因为我们有时候也要看辐射的聚化现象,因为光线有时候会受到拱形的影响,这也是为什么有时候我们也需要戴太阳眼镜来综合这个效果。你可以看到这也是我们来了解宇宙的一种方法,所以这么多年我们推出了不同的卫星,2019年说不定还会再推出一个新的卫星。

这是一个动画来展示的Mark-3的卫星,有冷却系统,温度很低。你可以看到它展示的是映射的微波天空,而在后面实际上可以看到月亮和太阳,然后可以传输数据。它是从天空来收集数据的,这里面有一个线,这个线实际上代表的是星系的信号,因为轨道和星系之间形成了一个角度,所以我们对整个太空来进行映射,然后把它进行平面处理,然后有一个旋转的效果。所以你可以看到星系的信号,而在外面就是宇宙。这是光学这块能看到的,而这上面看到的微波,你这边希望隔离星系的信号,然后看看星系后面有什么内容。所以刚才给大家举例我们产生了什么样的映射的图像,我们是把不同的光频的光结合在一起,然后生成图像,这就是生成的一个饼图,这个图像蛋一样,很好看。这看起来像艺术品吗?大家有争议,但实际上对我来说它很漂亮,因为它展示了两个特点,有一些很长的波是比较暖的,然后还有一个特点是从上往下的,在比较冷的地方是蓝色的区域,但如果是比较热、比较温暖的地方就是橙色。也就是说有不同尺寸的结构,然后可以进行分析,但是有一个尺寸是特别吸引眼球的,也就是说有一个尺寸是主流的尺寸,就是当宇宙一开始透明的时候它的声波的形状。你可以看到它实际上是星系所产生的一个信号,所以我们就能够看到这个太阳内部的情况了,然后我们也能够更好地探测宇宙早期的状况。

这是2015年的图,2018年我们也生成了一个图,这两张图很相似,而且图的分辨率比屏幕的分辨率高一些,所以在这上面大家没办法看得很清楚。我们也生成了很多高分辨率的图,我们有COBE的图,这上面代表了一部分,有些地方比较冷,有些地方比较热。我们也有普朗克星球的图,这个照片的准确度就比较高。这上面我们有足够尺度的一个要求,我看了这个图,我做了很多的仿真,我告诉我的同事我知道这个图代表的是哪一部分,太阳的地平线实际上是可以作为一个参照物的。大家还记得你们学的几何,三条线组成一个三角形,前提条件就是这个角度加起来,三个角是180度,你可以通过几何的算法来分析刚才的图。所以我们给宇宙照的照片,每十年分辨率就能提高。