宇宙的演化和人类的命运(新 4)

宇宙的演化和人类的命运曹铁生第四军医大学唐都医院目录一、为什么讲这个题目二、宇宙的基本结构三、宇宙的起源和演化四、人类在宇宙中的地位五、人类的命运六、生命的意义一、为什么讲这个题目（一）这是我一直最关心的问题当我第一次，还是在远处目睹祭奠亡灵时，才从母亲那里知道人是必死无疑的。这对一个当时只有3岁儿童来说，所遭受的震撼无疑是终生的。从此，人从何而来，去往何处，人生的目的究竟是什么则成了我最关心的问题。相信许多人会有同感。因此，今天所讲的这个题目并非我一时的兴趣，而是一直以来我最关心、最感兴趣的问题。这样，关心宇宙学的研究进展则是我一直的爱好。与天文学家交朋友：参加2002年国际天文学会议的两位天文学家和他们当前的天文学研究课题。天文学已经是一门非常严密的现代科学。1.小学时代：强烈的好奇心驱使肉眼观察Humanshavegazedattheskyforcountlesscenturies,exploringtheheavens.Untiljustafewhundredyearsago,thoseexplorationswerelimitedtowhatwecouldseewithourunaidedeyes:TheSun,theMoon,afewplanets,sometenthousandstars,andtheindistinctsmudgesofthreenearbygalaxies.2.中学时代有了天文望远镜强烈的好奇心驱使我试图回答：人从何而来→地球从何而来→整个宇宙从何而来→宇宙的起源和演化问题中学时代基本的天文观测：工具：南京紫金山天文台研制的天文望远镜实践活动：学校小山头上成夜的业余爱好性的天文观测大家知道，爱好和生活不太可能是一致的中学以后的时代：1962.08-1968.08第四军医大学空医系学员1979.08-1982.08四医大唐都医院心内科硕研1984.04-1985.06WHO资助美国哈佛大学附属医院访问学者1987.01(提前晋升)副教授、副主任医师1988.03硕士生导师1989.02(提前晋升)教授、主任医师1991.01-1995.06美国加利福尼亚大学特邀访问学者1993.03博士生导师2005.12技术三级2007.09文职一级3.中学以后与现实生活接轨但仍关注宇宙学和大统一理论的进展多少年来，这种对宇宙学和大统一理论的关注，使我感悟许多，首先使我胸怀更加开阔，对人类的命运、人生的意义有了更高层次的理解，提高了把握自己的能力。同时我也意识到，人类对这一最大科学之谜的探索，推动了自然科学本身的发展与进步，同时也孕育并诞生了科学的宇宙观、催生了一系列高新技术……在一定意义上讲，是天文学和高新技术手段两只轮子的完美配合才推动历史的长足进步。可能会有人问，这种对宇宙学和大统一理论的关注，与我们研究生有何关系。回答是：这不仅会对研究生的研究思路、学习方法有重要帮助。如果相关理论理解深刻，运用灵活，将会对研究生提高智商和情商有指导意义，对研究生的科学人生观的树立和今后的幸福生活都有重要的启迪作用。去年在兰州我们主办了全军第十一届超声医学学术会议，我只简要地讲了半个小时的相关内容，就已经反响很大，希望今天更多的内容对你们会有更大的帮助。去年九月在兰州主办了第十一届全军超声医学专业会议在会上，我以“学习探索感悟人生”为题，简要讲了我们今天所讲的内容，有人听过三次，今天我们在座的同学也有听第四次的，他们为什么愿意多次听同一个内容呢？（二）当代自然科学重大基本问题现代自然科学技术中的重大基本问题，是那些自从有人类以来，人们就努力探索，而至今人们仍在不停地研究的，关系到科学进步，社会发展、人类文明和人类命运的自然奥秘。现代自然科学技术的重大基本问题基本上还是与我们所提出的那些问题相关的问题。当代自然科学的五个重大基本问题1.宇宙的起源和演化2.地球的起源和演化3.生命的本质与智力的起源4.宇宙的结构层次和物质的基本单元5.非线性科学（三）人类为解答问题所进行的投入1.天文学作为六大基础科学之一天文学是人类是最早关注的科学，也是六大基础科学之一，人类投入了大量的人力和物力进行了多年的研究，取得了惊人的进步。通过此部分介绍，想让大家知道一些概况。宇宙学是研究整体宇宙及其起源和演化的科学，是天文学的一部分。2.天文学研究一直受到各国的重视大物理学家吴大猷先生曾讲过：“欧洲的科学革命发端于天文学。”启蒙运动最重要的思想家、历史上最伟大的哲学家之一康德也曾说：“世界上有两样东西能够深深地震撼人们的心灵，一个是我们心中崇高的道德准则，另一个是我们头顶上灿烂的星空。”美、欧洲、俄、日四大天文巨头的发展，有一个共同鲜明的特点，那就是人才梯次队伍的培养与储备。没有人才，即使有巨大的投资也是徒劳的。而人才的培养，依靠的是持久的天文教育与普及工作的开展。以美国为例，除了医学之外，没有任何一个学科的最新成就能像天文学的最新成就那样频繁地出现在各种媒体的显要位置上。在有许多专业天文学家任教的大学，天文学是最流行的选修课之一，每年有２０多万大学生参加入门班的学习。人类从钻木取火、结绳纪事到宇宙探险、信息革命，经历了一次又一次的认识革命，那么，什么是我们对宇宙认识进步的关键环节呢？两个关键环节Asanyotherscience,astronomyadvanceswiththeimprovementofthetoolsforobservationandthetheorythatinterpretsthedatacollected.认识这一点，特别是建立正确的理论，对我们的科研工作有重要指导意义。其实，历史上天文学划时代的进步，很大程度上，仰仗观测手段的出新。Theinventionofthetelescopeexpandedandclarifiedthatviewahundredfold,revolutionizingourunderstandingoftheuniverseandhowitworks.EdwinHubbleatthe100-inchHookerTelescope可在轨道上移动的射电望远镜—接收天体发来的无线电波AgreatrevolutioninourunderstandingoftheuniverseistheusingofNASA’sHubbleSpaceTelescope.Thespacetelescopehaschangedourviewoftheuniverseandourplacewithinit.Hubble’spicturesprovideuswithadetailedviewofthefascinatingcomplexityanddiversityoftheuniverse,aswellasitsstartlingbeauty.3.理论对天文学发展的重要意义基础理论，如：爱因斯坦相对论、量子力学理论等是人类认识天文观测资料不可缺少的理论工具（见后述）。两个关键环节对我们研究生学习的启示：（1）我们的研究题目必须有坚实可靠的理论基础；（2）必须使用最先进的研究方法和观测工具。二、宇宙的基本结构（一）离开地球观看太阳系宇宙惊人的美丽(Startlingbeauty)行星、太阳系（太阳系10大行星）银河系河外星系（椭圆星系、旋涡星系、不规则星系）星系团和超星系团（本星系团由银河系和邻近三十个星系组成）我们的地球(从人造地球卫星上看)（一）太阳系的行星（二）我们的太阳系（三）我们的银河系从正面看银河系从侧面看银河系在离银河系20万光年处看银河系银河系中心结构酷似（中国龙）的星云（四）河外星系河外星系包括椭圆星系、旋涡星系、不规则星系等。直径在3300光年到49万光年之间。质量一般为太阳质量的100万至1万亿倍之间。运动星系内的恒星在运动，星系本身自转，星系整体在空间也在运动。分布从大尺度看星系在宇宙空间的分布各个方向都一样，近于均匀的。这是本星系群成员仙女座大星系M31和它的两个卫星系的照片。（5500万光年）离我们最近的河外星系旋涡星系河外星系棒旋星系NGC4314河外星系棒旋形星系河外星系旋涡星系河外星系室女座河外星系哈勃空间望远镜拍摄的草帽星系属于旋涡星系距我们4400万光年不规则星系不规则星系大麦哲伦云作为庞大的天体系统，河外星系也有形成、发展到衰亡的演化过程。在此过程中，其内部的恒星又有各自的生命史。星系本身在自转，它们整体在空间也在运动，由于万有引力的作用，星系在空间有时也可以相撞，形成特殊的天文景观。下面两张幻灯片是太空望远镜拍到的河外星系相撞事件。其中所毁灭的文明不知能有多少，也许他们中间还有的在进行着核战争或其它我们所不可能知道的愚蠢的事件。乌鸦座NGC4038和NGC4039星系相撞形成许多新星并最终合并形成椭球形星系（1亿光年）两个河外星系相撞所造成的天文灾难不知要毁灭多少智慧和文明！这提示我们什么呢？（五）星系团和超星系团星系团由于引力作用，星系倾向聚集成团，星系团可能包含数千个星系。本星系团我们的银河系是一个叫做本星系群的小星系团的成员，由大约四十个星系组成。超星系团星系团本身又聚集成群形成超星系团，本星系群和室女座星系团同是超星系团的一部分，有时称之为本超星系团。三、宇宙的起源和演化（一）哈勃定律（Hubble’sLaw）和膨胀宇宙(expandingUniverse)遥远星系（本星系群以外的星系）的退行速度（离开我们的速度）与它们到我们的距离成正比。多普勒效应的应用。结论是宇宙在膨胀，这种膨胀并非像炸弹从爆炸点向四周飞散那样，而是空间本身在膨胀，并带着星系一起兜风。反推回去，在足够远的过去，它们一定曾经互相堆积在一起。宇宙大爆炸模型的依据。（二）宇宙的诞生－大爆炸理论要理解暴涨式大爆炸宇宙创生模式，必须要能够打破常规思维模式；这用当前的宇宙观测和地球经验是无法比拟的；要习惯于难以想象的极端高温、高密度和极短时间内发生的过程。量子力学中夸克的特性：有质量的几何点的概念。宇宙的创生（“无中生有”的理论）有些宇宙学家认为，暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点，这种观点之所以在以前不能为人们接受，是因为存在着许多守恒定律特别是重子数守恒和能量守恒。这里，恒定的观念又要受挫折了，许多我们头脑中牢不可破的“守恒定律”也要瓦解了。但随着大统一理论的发展，重子数有可能是不守恒的，而宇宙中的引力能可粗略地说是负的，并精确地抵消非引力能，总能量为零。因此，就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题。（三）我们看到了宇宙的过去从宇宙的深度上看宇宙的过去：光的传播速度相对于浩瀚的宇宙空间来说显得非常小，这使我们有机会观察宇宙的过去。从时间上看宇宙的过去：1045年中国历史文献记录了金牛座M1超新星爆发，为我们现在研究蟹状星云和中子星提供了重要的依据。寻找证据侦破天文历史事件，如：恐龙灭绝的证据、同位素年代测定、年轮测量等。这是我们第一次看到大爆炸后恒星形成时的情景，这张被天文学家命名为“超深之地”的宇宙照片捕捉到了在太空中已经穿行了130亿年的光线，这些光线发出时的宇宙年龄只有它现在的年龄的5%。最新记录是132亿年。我们看到了宇宙诞生后最年轻的恒星。关于宇宙可能随时间流逝而演化的第一个明确提示基于爱因斯坦广义相对论，不含宇宙常数的爱因斯坦方程式的宇宙模型实际上是对整体宇宙行为的极佳描述，它表明宇宙既无中心、也无边界，而等价于一个四维的平面，即：超球体。目前为止的理论和宏观及微观的观测都证明，大爆炸理论是对宇宙创生最合理的理论。（四）恒星的诞生和演化恒星是由低密度的星云物质凝聚而成，质量小的云团（0.5到1万个太阳质量）形成单个恒星，大的形成恒星集团。当恒星中心达700万度时，核聚变反应开始（氢聚变为氦）。当核的质量约占恒星质量的12％时，恒星结构发生重大变化，氦核收缩，恒星外层体积急剧增大，表面温度降低，步入老年期，红巨星阶段。恒星到后期变化十分剧烈，一般要经过一场抛射物质的阶段，根据其质量最后形成：白矮星、中子星或