從仰望星空到走向太空

路甬祥

2009年是伽利略首次使用望遠鏡觀測天體400周年，因此被聯(lián)合國確定為國際天文年，以紀念這位人類歷史上第一個把望遠鏡對準茫茫太空的人。伽利略是近代科學的開創(chuàng)者之一，是科學史上的偉人。他把理論與實驗相結(jié)合，形成了一套基于實驗觀察、數(shù)學分析、嚴謹實證的科學研究方法，從此人類有了現(xiàn)代意義上的科學。伽利略等人所開創(chuàng)的近現(xiàn)代科學，今天更加充滿生機，有力推動著人類文明的進步與發(fā)展。

一、伽利略的發(fā)現(xiàn)及其意義

1609年7月，伽利略根據(jù)荷蘭人發(fā)明望遠鏡的消息，用風琴管作鏡筒，兩端分別嵌入一片凸透鏡和一片凹透鏡，制成了一架放大率為3倍的望遠鏡。同年底，他又把望遠鏡的放大倍數(shù)提高到了32倍，用來觀察太空，從而擴展了人類的視力，發(fā)現(xiàn)了一批以前從未發(fā)現(xiàn)的天體現(xiàn)象。

他利用望遠鏡發(fā)現(xiàn)月球表面高低不平，有高山、深谷，也在自轉(zhuǎn)。他把月球上兩條主要山脈分別以“阿爾卑斯”和“亞平寧”來命名，繪制出世界上第一幅月面圖。他斷定月球自身并不發(fā)光，只能反射太陽光。伽利略用簡陋的望遠鏡發(fā)現(xiàn)了有4顆衛(wèi)星在圍繞木星旋轉(zhuǎn)，他還先后發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)、太陽黑子、太陽的自轉(zhuǎn)、金星和水星的盈虧現(xiàn)象、月球的周日和周月天平動以及銀河是由無數(shù)恒星組成等等，從而開辟了依靠觀測和實證了解天象、解釋天體運動的新時代。正如同哥倫布（C.Colombo，1451—1506）發(fā)現(xiàn)了“新大陸”一樣，伽利略發(fā)現(xiàn)了“新宇宙”。這些真實的、可重復(fù)的觀測結(jié)果，形成了對哥白尼日心說極其有力的支持。1610年3月，伽利略把觀察結(jié)果和對哥白尼學說的闡述寫成《星際信使》（SidereusNuncius）一書，在威尼斯公開發(fā)表，在當時的歐洲社會產(chǎn)生了很大影響。

伽利略所主張的學說和提供的依據(jù)，從根本上對當時的宗教教義提出了挑戰(zhàn)，因而遭到了教會的不公正審判，他也被判處終身監(jiān)禁。但是，真理的光輝終歸要照亮大地。由于伽利略的歷史貢獻，以及更多的科學依據(jù)和闡釋，日心說終于取代了延續(xù)千年的地心說。更重要的是，伽利略向人們展示了具有說服力的認識自然的科學方法，即：依靠觀察和實驗來了解自然的真實景象，依靠理論和數(shù)學分析來解釋所觀察到的現(xiàn)象。

伽利略是近代物理學的創(chuàng)始人。他首次把實驗引進力學，并利用實驗和數(shù)學相結(jié)合的方法，先后確定了自由落體運動規(guī)律、慣性定律、擺的等時性定律、合力定律、拋射體運動規(guī)律等一些重要的力學定律；他詳細研究了重心、速度、加速度等物理現(xiàn)象，并給出了嚴格的數(shù)學表達。其中加速度概念的提出，是力學史上具有里程碑意義的事件，因為從此能夠定量描述力學中的動力學部分。荷蘭科學家惠更斯（C.Huygens，1629—1695）在伽利略工作的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了單擺的周期公式和向心加速度的數(shù)學表達式，英國科學家牛頓在系統(tǒng)地總結(jié)了伽利略、開普勒、惠更斯等人的工作后，最終得出了萬有引力定律和運動三定律。

伽利略留給后人的精神財富是極其寶貴的。伽利略所做的最重要的貢獻在于，他把邏輯方法和科學實驗緊密結(jié)合在一起，奠定了近代科學的方法論基礎(chǔ)，這種新方法，使物理學告別了主觀猜測、形而上學和粗略定性，成為論據(jù)扎實、推理嚴謹、可實證、可檢驗和可重復(fù)的科學，有力地推動了近現(xiàn)代科學的誕生與發(fā)展。正是在這個意義上，伽利略被稱為科學實驗方法的創(chuàng)始人和近代科學的奠基人。愛因斯坦曾這樣評價：“伽利略的發(fā)現(xiàn)，以及他所用的科學推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著近代物理學的真正開端！”

二、人類對宇宙的探索需要各國不同領(lǐng)域科學家的緊密合作

認知宇宙一直是人類的夢想，人類一直試圖對浩渺的宇宙做出合理的解釋。中國古人提出過蓋天說和渾天說，中國漢代學者張衡（公元78—139）曾經(jīng)提出“宇之表無極，宙之端無窮”的無限宇宙概念。（《靈憲》，張衡著）。古希臘哲學家柏拉圖（Plato，約公元前427—前347）認為宇宙中的物體呈現(xiàn)出最完美的圓形運動，宇宙由各個星層組成，存在著一個宇宙的中心。古希臘的天文學家托勒密（C.Ptolemaeus，約公元90—168）提出了地心說，認為地球是宇宙的中心。哥白尼提出了日心說。牛頓提出了機械的宇宙觀，認為在第一推動力的作用下，宇宙按照機械運動的規(guī)律運行著。法國人拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749—1827）和德國人康德（I.Kant，1724—1804）提出了星云學說，認為宇宙物質(zhì)是由星云逐漸變化而形成的。近代科學認為，任何一種宇宙學說或者模型，都必須經(jīng)過觀測或?qū)嶒灥臋z驗，才能成為被普遍接受的科學理論。

隨著天文望遠鏡等觀測和分析儀器的問世和改進，人類對宇宙的認識愈加清晰豐富。1781年前后，英國天文學家赫歇耳（F.W.Herschel，1738—1822）使用望遠鏡發(fā)現(xiàn)了天王星，這是人類第一次用望遠鏡發(fā)現(xiàn)的行星。天王星發(fā)現(xiàn)后，人們發(fā)現(xiàn)它總是有些偏離計算的軌道，于是有天文學家猜測，在天王星之外還存在一顆行星，它的引力干擾了天王星的運行。1846年，英國的亞當斯（J.C.Adams，1819—1892）和法國的勒威耶（U.Le Verrier，1811—1877）獨立對此進行了研究，計算出這顆新行星即將出現(xiàn)的時間和地點，德國天文學家伽勒（J.G.Galle，1812—1910）在天文觀測中辨認出這顆新行星，與預(yù)計的軌道只差1度。海王星的發(fā)現(xiàn)說明了天文觀測中理論指導(dǎo)的重要意義，在理論的指導(dǎo)下，不僅能夠確定新天體發(fā)現(xiàn)的區(qū)域和時機，更重要的是，能夠揭示出所觀測現(xiàn)象的科學意義?？茖W的最終意義不僅在于發(fā)現(xiàn)自然，更在于合理地解釋自然。

有了越來越先進的觀測、分析等技術(shù)手段，有了越來越嚴謹?shù)睦碚摵蛿?shù)學工具，人類對于宇宙的研究不斷深化和拓展。17世紀陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些朦朧的擴展天體，人們稱它們?yōu)椤靶窃啤?。仙女座星云是其中最亮的一個，但它是銀河系內(nèi)還是銀河系外的天體，一直有爭論。1924年，美國天文學家哈勃使用當時世界上最大的2.4米口徑望遠鏡，在仙女座星云里找到了造父變星，利用造父變星的光變周期和光度的對應(yīng)關(guān)系，確定了它較準確的距離，證明它確實是在銀河系之外，而且也像銀河系一樣，是由幾千億顆恒星以及星云和星際物質(zhì)組成的河外星系。迄今，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約10億個河外星系，有人估計河外星系的總數(shù)在千億個以上。

I967年，英國天文學家休伊什（A.Hewish，1924—）和伯內(nèi)爾（J.B.Burnell，1943—）偶然地發(fā)現(xiàn)了脈沖星。脈沖星發(fā)射的射電脈沖周期非常穩(wěn)定。人們對此曾感到很困惑，甚至一度猜測這可能是宇宙中智慧生命發(fā)出的信號。而在此之前，物理學家發(fā)現(xiàn)中子后不久，1932年朗道（1908—1968）就提出可能有由中子組成的致密星。1934年巴德（W.H.W.Baade，1893—1960）和茲威基（F.Zwicky，1898—1974）提出了中子星的概念。1939年奧本海默（J.R.Oppenheimer，1904-1967）等通過計算建立了中子星模型。由于事先已經(jīng)有了關(guān)于中子星的理論，科學界很快就確認了脈沖星是有極強磁場的快速自轉(zhuǎn)的中子星。這又是一個理論指導(dǎo)科學發(fā)現(xiàn)的典型案例。

宇宙大爆炸模型更是理論指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典案例。1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，奠定了現(xiàn)代宇宙學的理論基礎(chǔ)。根據(jù)廣義相對論的推測，宇宙不是穩(wěn)定態(tài)的，不是膨脹就是收縮。1922年，蘇聯(lián)物理學家弗里德曼根據(jù)愛因斯坦的相對論，提出了非靜態(tài)的宇宙模型，經(jīng)過哈勃、愛丁頓（A.S.Eddington，1882-1944）的研究，宇宙膨脹說得到越來越多的支持，1932年比利時天文學家勒梅特進而提出“宇宙大爆炸”理論，這一理論逐漸成為宇宙起源與演化的主流理論。根據(jù)宇宙大爆炸模型，在宇宙的最早期，即距今大約137億年前或更早，今天所觀測到的全部物質(zhì)世界統(tǒng)統(tǒng)集中在一個很小的范圍內(nèi)，溫度極高，密度極大。從大爆炸開始，宇宙歷經(jīng)了普朗克時期，強子時期，輕子時期（5秒），在100秒左右發(fā)生了核合成，產(chǎn)生氚和氦，宇宙以輻射物質(zhì)為主。大爆炸發(fā)生后約38萬年，溫度下降到4000K，中性氫開始形成，宇宙進入退耦時期，光子和物質(zhì)分離，光子成為宇宙背景輻射，宇宙進入以物質(zhì)為主的黑暗時期。一直到大約2億年，第一批恒星和星系開始形成，宇宙逐漸被照亮，隨后的幾億年間，第一批超新星和黑洞形成。大約10億年，比星系更大尺度的星系團形成，星系之間發(fā)生合并等劇烈演化活動，恒星系統(tǒng)形成。經(jīng)過了漫長的演化，形成了今天我們所看到的形形色色的宇宙。

宇宙大爆炸理論陸續(xù)得到一些觀測的證實。1929年，哈勃發(fā)觀星系距離我們越遠，遠離我們的速度越快，被稱為哈勃定律，從而證實了當前的宇宙處于膨脹狀態(tài)；哈勃定律與宇宙大爆炸模型的預(yù)言一致，已被28000個星系的紅移（或退行速度）與距離的關(guān)系的觀測數(shù)據(jù)所證實。

20世紀60年代，美國貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜探測到了3.5K的宇宙微波背景輻射，這與1948年俄裔美籍科學家伽莫夫和比利時人勒梅特等改進的宇宙大爆炸模型非常符合。即我們今天觀測到的近乎各向同性的宇宙微波背景輻射，是宇宙膨脹冷卻到光子不再和宇宙物質(zhì)發(fā)生相互作用時留下的退耦“遺跡”，當時的宇宙溫度約為4000K，按照宇宙的膨脹速率，到今天恰好為3K左右。

1989年美國發(fā)射的COBE衛(wèi)星對微波背景輻射的精密測量進一步表明，在10-4精度內(nèi)，宇宙是各向均勻、同性的，這樣就進一步證實了宇宙大爆炸模型。宇宙大爆炸模型預(yù)言宇宙今天的年齡約為137億年，宇宙中的天體，如恒星、星系等，都是在宇宙形成以后逐漸形成的，所以它們的年齡必須小于宇宙年齡，這也符合目前的觀測；宇宙大爆炸模型預(yù)言了宇宙中輕元素的豐度，如氦的豐度約為25%，氫的豐度約為75%。多年來人們對天體輕元素豐度的觀測結(jié)果，正好與宇宙大爆炸模型的預(yù)言相一致，從而成為宇宙大爆炸模型的證據(jù)。宇宙大爆炸模型的提出和證實再一次表明，宇宙學的研究，需要各國不同領(lǐng)域科學家的緊密合作；宇宙學的研究，不僅需要理論上的創(chuàng)新，而且也需要觀測和分析手段的創(chuàng)新。

三、人類探索太空的動力源自認知和駕馭客觀世界的科學精神

探索太空是人類自古以來的夢想，中國在春秋戰(zhàn)國時期就有嫦娥奔月的傳說。明代有一個叫“萬戶”的飛天實踐家，被譽為第一個利用火箭動力實現(xiàn)航天之夢的先驅(qū)。但是他失敗了，原因是既無科學理論指導(dǎo)，也無技術(shù)條件保障。100多年前，俄國科學家齊奧爾科夫斯基（1857-1935）發(fā)表了《用火箭推進飛行器探索宇宙》的科學論文，第一次系統(tǒng)地闡述了宇宙航行的基本理論和方法。他曾經(jīng)說過：“地球是人類的搖籃，但人不能永遠生活在搖籃里。他們不斷地向外探尋著生存的空間：起初是小心翼翼地穿出大氣層，然后就是征服整個太陽系?！彪m然他的夢想在當時的科技條件下無法成真，但卻為火箭技術(shù)和星際航行奠定了基本理論。他的名言一直激勵著人類為掙脫大地的束縛進入和探索太空而進行著不懈的努力。

隨著人類技術(shù)水平的不斷提高，1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星Sputnik 1號，拉開了現(xiàn)代航天事業(yè)的序幕。到了20世紀末，已有20多個國家和組織進入了“太空俱樂部”，合計進行了數(shù)千次的太空發(fā)射，把5千個各類衛(wèi)星、太空探測器、宇宙飛船、航天飛機送上太空。至今在我們頭頂上仍有1千多顆人造衛(wèi)星。氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、電視衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等等，都在為人們提供著各類服務(wù)。

1961年4月，蘇聯(lián)宇航員加加林（1934-1968）乘坐“東方1號”飛船升空，在最大高度為301千米的軌道上繞地球飛行一周，完成了世界上首次載人宇宙飛行。1969年7月，美國“阿波羅11號”飛船承載著全人類的夢想飛抵月球，宇航員阿姆斯特朗（N.Armstrong，1930-）成為登陸月球第一人。這些都是人類航天事業(yè)中的里程碑式事件。

隨著航天科技的發(fā)展，人類已由在太空中的短暫停留，發(fā)展到可以在太空中長期生活，現(xiàn)在已有人在太空站生活了一年。迄今，全世界已發(fā)射了9個空間站。蘇聯(lián)是首先發(fā)射載人空間站的國家，其禮炮1號空間站在1971年4月發(fā)射成功，美國在1973年5月14日成功發(fā)射太空實驗室的空間站。蘇聯(lián)于1986年2月發(fā)射了大型的和平號空間站，這個空間站全長13.13米，最大直徑4.2米，重21噸。國際空間站于1993年完成設(shè)計，開始實施。該空間站以美國、俄羅斯為首，共16個國家參與研制。其設(shè)計壽命為10～15年，建成后總質(zhì)量將達438噸，長108米。太空站的出現(xiàn)，為人類持續(xù)研究太空環(huán)境、利用微重力環(huán)境研究物理、生物、化學等問題，深化對物質(zhì)及其運動規(guī)律的認識，研究人類在太空生存時的生理和心理變化，創(chuàng)造了條件。

中國于1970年4月發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”。2003年10月，楊利偉乘坐“神舟五號”飛船成功實現(xiàn)了中國第一次載人太空飛行；2008年9月，中國“神舟七號”宇航員翟志剛成功地進行了第一次太空行走；2007年10月24日，我國“嫦娥一號”探月衛(wèi)星成功發(fā)射升空，并在隨后的數(shù)天里圓滿地完成了月球探測任務(wù)。中國作為一個太空科技的后發(fā)國家，走的是一條低投入、高效益、自主發(fā)展的道路。我們堅信，在不久的將來，中國航天科技一定會有更大的飛躍，將為國家富強、民族振興做出更大的貢獻。

人類在探索太空的歷程中，也經(jīng)歷了艱辛，甚至犧牲生命。以美國為例，到目前為止，美國共犧牲17名宇航員。1967年1月27日阿波羅1號失事，犧牲3名宇航員，1986年1月28日挑戰(zhàn)者號失事，犧牲7名宇航員，2003年2月1日哥倫比亞號失事，犧牲7名宇航員。盡管歷經(jīng)失敗，但人類在走向太空的征程中已經(jīng)取得了輝煌的成就，而且還會取得新的輝煌。人類探索太空的原動力，就來自人類渴望認知和駕馭客觀世界的科學精神，伽利略所秉承和堅持的也正是這種精神。這種科學精神值得我們有志獻身科學的每一個人用畢生的精力去堅持，并一代又一代地發(fā)揚光大。

四、儀器的改進與科學的進步

技術(shù)手段的改進，往往能夠促進新知識的產(chǎn)生，進而促進科學的進步。天文學與物理學、化學等其他絕大多數(shù)自然科學一樣，是建立在觀測和實驗基礎(chǔ)上的科學。天文學研究的進步既需要理論的創(chuàng)新與發(fā)展，也需要觀測分析儀器的創(chuàng)新。每一次天文觀測方法和設(shè)備的革新，都推動了天文學研究的發(fā)展。望遠鏡的集光能力，空間、時間分辨率等性能的提高，往往引發(fā)天文學前沿研究的新突破。從可見光學波段到射電波段，再發(fā)展到紫外、紅外、X-射線及γ-射線，全電磁波段天文觀測向我們開啟了全新的宇宙觀測窗口和視角。僅以20世紀60年代為例，利用第二次世界大戰(zhàn)中雷達技術(shù)的進展，射電天文學脫穎而出，直接導(dǎo)致了類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射四大里程碑式的天文發(fā)現(xiàn)，有五項諾貝爾物理學獎頒發(fā)給了相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者。

隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，科學家利用新一代空間望遠鏡、天文衛(wèi)星等探測手段，獲得了大量新的觀測數(shù)據(jù)，豐富了我們對宇宙的認識。最突出的例子就是哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST），該望遠鏡于1990年升空，主鏡直徑2.4米。哈勃太空望遠鏡工作19年來，對深空中的2.6萬個天體拍攝了50萬張以上的照片，根據(jù)對哈勃太空望遠鏡的觀測結(jié)果的研究，產(chǎn)生了超過7000多篇科學論文，哈勃太空望遠鏡已成為產(chǎn)出成果最高的天文學設(shè)備之一（美國《大眾機械》雜志：世界功能最強5大天文望遠鏡）。哈勃太空望遠鏡幫助科學家測定了宇宙年齡，證實了多數(shù)星系中央都存在黑洞，發(fā)現(xiàn)了年輕恒星周圍孕育行星的塵埃盤，確認宇宙正加速膨脹，還提供了宇宙中存在暗能量的證據(jù)。

再比如2000年開始的斯隆數(shù)字巡天觀測（Sloan Digital Sky Survey，SDSS），觀測25%的天空，獲取超過一百萬個天體的多色測光資料和光譜數(shù)據(jù)；我國自主研制的LAMOST望遠鏡，采用實時主動變形反射施密特改正板和4000根光纖同時精確定位技術(shù)，以前所未有的4米通光口徑同時具備5度觀測視場，計劃將人類對天體的光譜巡天數(shù)據(jù)再增加一個數(shù)量級，達到千萬級；[在世界上已有的天文觀測設(shè)備中，LAMOST成為了集中并大規(guī)模應(yīng)用今年榮獲諾貝爾物理學獎的兩項應(yīng)用成果——光纖通訊和電荷耦合探測器件（CCD）的最為典型的天文望遠鏡：4000根光纖+32個4000×4000CCD探測器，這進一步說明了天文學和技術(shù)應(yīng)用之間的辯證關(guān)系：天文學既依賴又推動技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展]；2003年開始公布數(shù)據(jù)的威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP），力圖找出宇宙微波背景輻射的溫度之間的微小差異，以幫助驗證有關(guān)宇宙產(chǎn)生與演化的各種理論。這些技術(shù)手段的發(fā)明和改進，以前所未有的精度把人們帶入到“精確宇宙學”時代，有助于不斷深化人類對宇宙的認識。

天文學的發(fā)展離不開其他學科，同樣，天文學的發(fā)展也促進了其他學科的進步。太陽系的行星運動是理想的牛頓力學實驗室，而中子星、黑洞乃至整個宇宙則是檢驗愛因斯坦引力理論的實驗室。天文學提供了檢驗各種極端物理條件，如微重力、極高（低）溫、極高（低）壓、極大（弱）引力、極高（低）密度、極強（低）磁場等的物理理論的“宇宙實驗室”。宇宙在演化中形成了地球上幾乎所有的化學元素，并由這些元素產(chǎn)生出各種無機分子和有機分子。因此生命物質(zhì)的起源很可能并不是地球獨有的，在宇宙其他天體中也可能存在著氨基酸等生命物質(zhì)，從這個意義上說，宇宙也應(yīng)是生命起源與演化的實驗室?，F(xiàn)代天體物理學中提出的暗物質(zhì)、暗能量、反物質(zhì)等問題的深入研究，將對物理學的基礎(chǔ)產(chǎn)生重大的影響。在化學元素周期表上位居第二位的元素氦，是首先在對太陽的觀察中發(fā)現(xiàn)的。最早測定光速的方法之一，正是利用了木星衛(wèi)星的掩食現(xiàn)象。人類曾經(jīng)長期探索太陽巨大能量的來源問題，19世紀末，發(fā)現(xiàn)了元素的放射性，英國科學家盧瑟福提出，能量足夠大的氫核碰撞后可能發(fā)生聚變反應(yīng)，這可能是太陽能的來源。依靠核聚變理論和實驗，人類發(fā)明了氫彈，50多年來，許多國家又在研究以可控核聚變作為新型能源。廣義相對論發(fā)表后的一段時間里，一直得不到實驗的驗證。1919年，英國天文學家愛丁頓在日全食期間觀測到了太陽附近恒星位置的偏移，測得的偏移量與廣義相對論的計算結(jié)果符合得很好，廣義相對論第一次得到了觀測證據(jù)的支持。加上后來的金星雷達回波延遲，行星近日點的進動，太陽光譜和白矮星光譜引力紅移等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，廣義相對論進一步得到了驗證。

天文儀器的創(chuàng)新，有時候也能同時促進其他學科的發(fā)展。望遠鏡是觀測宇宙的工具，其每一個歷史發(fā)展階段，都是最先進的精密光學機械與電子技術(shù)的集成。望遠鏡的研發(fā)改進，不斷向高新技術(shù)及制造技術(shù)提出挑戰(zhàn)，從而帶動了高新技術(shù)的創(chuàng)新。很多基于望遠鏡的科技創(chuàng)新成果，可以廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)。例如，自適應(yīng)光學技術(shù)、激光導(dǎo)星、大規(guī)模波前探測器和校正器等技術(shù)，可應(yīng)用于高分辨率望遠鏡、深空自由空間光通訊、激光光束和光學成像整形與控制等；天文學紅外探測器技術(shù)的發(fā)展，將有利于夜視導(dǎo)航與預(yù)警，衛(wèi)星氣象預(yù)報，資源、災(zāi)害遙感，醫(yī)學成像診斷等技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進展。

五、宇宙探索——永無止境的科學前沿

伽利略憑借簡單的望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了原先未知的太陽系中的一些現(xiàn)象；人類依靠不斷改進的觀測設(shè)備，進一步認識了太陽系、銀河系以外的宇宙；今天，人類的研究觸角已伸向宇宙誕生之初，伸向宇宙的邊緣。然而，宇宙探索是永無止境的科學前沿，我們已知的宇宙現(xiàn)象，比起我們未知的宇宙奧秘，如同滄海一粟，人類對宇宙的認知，就像剛剛學會爬行的嬰兒一樣，還有遙遠的路程。

盡管宇宙暴脹大爆炸模型取得了很大的成功，但是我們對于暴脹的機制和大爆炸的具體過程尚不清楚，還沒有解決宇宙的視界、奇性、宇宙學常數(shù)等重要問題，還完全不理解主導(dǎo)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化的暗物質(zhì)和暗能量，還沒有完全認識宇宙中正反物質(zhì)的不對稱性的根源，也沒有全面揭示宇宙中黑洞的形成和增長以及星系的形成和演化的規(guī)律。特別是暗物質(zhì)、暗能量和黑洞問題，被認為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的課題，有待于進一步的深入探索研究。

暗物質(zhì)是宇宙中無法直接觀測到的物質(zhì)，但它卻能干擾星體發(fā)出的光波或引力，所以科學家可以認識到暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)是宇宙的重要組成部分。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，而我們可以看到的物質(zhì)還不到宇宙總物質(zhì)的10%，暗物質(zhì)可能主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成?？茖W家曾對暗物質(zhì)的特性提出了多種假設(shè)，但暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個謎。

暗能量是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，暗能量的存在直到1998年才被天文學家初步證實。暗能量是近年宇宙學研究的另一個具有里程碑式的重大成果。有科學家推測，宇宙中所有的恒星和行星的運動基本都是由暗能量來推動的。支持暗能量的主要證據(jù)有兩個：一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程，能夠從加速膨脹的現(xiàn)象推論出宇宙中存在著壓強為負的“暗能量”；另一個證據(jù)來自于近年對微波背景輻射的研究精確地測量出的宇宙中物質(zhì)總密度。值得注意的是，觀測得出的物質(zhì)能量總量，超過了普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的質(zhì)量之和，所以必須有某種成分，例如，暗能量，來補差。

從哲學的角度來講，暗物質(zhì)和暗能量相繼被證實存在對人們的觀念是一次極大的沖擊和突破。當年哥白尼僅僅將宇宙的中心從地球搬到太陽，就引起了全世界的軒然大波，人們不得不重新審視自身在宇宙中所扮演的角色。天文學上的發(fā)現(xiàn)不斷地突破人們剛剛確定的關(guān)于宇宙中心的知識體系，直到愛因斯坦提出廣義相對論后，人們才發(fā)現(xiàn)宇宙根本沒有所謂的中心。暗物質(zhì)和暗能量的存在同樣是以前人類無法想象的事情，但它們就存在于整個宇宙中，并在宇宙的構(gòu)成和作用等方面居于主導(dǎo)地位。

反物質(zhì)是由反原子構(gòu)成的物質(zhì)。反質(zhì)子、反中子和反電子如果像質(zhì)子、中子、電子那樣結(jié)合起來就形成了反原子。反物質(zhì)正是一般物質(zhì)的對立面，而一般物質(zhì)是構(gòu)成宇宙的主要部分。物質(zhì)與反物質(zhì)的結(jié)合，會如同粒子與反粒子結(jié)合一般，導(dǎo)致兩者湮滅，且因而釋放出高能光子或γ射線。根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能關(guān)系式E=mc2，如果質(zhì)量湮滅，就會產(chǎn)生能量。正反物質(zhì)湮滅時質(zhì)量幾乎損失殆盡，產(chǎn)生的能量比重核裂變和輕核聚變產(chǎn)生的能量大得多，會將100%質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量，而利用聚變反應(yīng)的氫彈則大約只有7%的質(zhì)能轉(zhuǎn)換。

人類走向太空的征程同樣也只是剛剛起步。自從1961年2月12日蘇聯(lián)發(fā)射“金星”號探測器奔赴金星以來，各種宇宙探測器已先后對月球、水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星、哈雷彗星以及許多小行星和衛(wèi)星進行了近距離或?qū)嵉乜疾?，獲得了豐碩的成果，而且不斷有新的發(fā)現(xiàn)。借助太空探測器，人們看到金星終日蒙上的一層密霧濃云及溫暖世界，破解了火星上的所謂人工運河和生命存在之謎，觀察到土星的奇異光環(huán)和衛(wèi)星家族以及木星及其極光景觀等，使人類對于太陽系的認識更加清晰?，F(xiàn)在，美國于1977年8月發(fā)射的“旅行者2號”太空探測器已經(jīng)飛離太陽系，正在走向其他星系。人類雖然已經(jīng)在近地軌道、遠地軌道乃至月球留下了足跡，但尚未到達其他行星，還有漫長的太空征程等待人類去探索。

宇宙的魅力，宇宙探索的挑戰(zhàn)性，宇宙蘊含的豐富科學問題，無疑為青年人展示自己的潛力，為人類提升創(chuàng)造力，提供了無與倫比的舞臺。有志者應(yīng)像伽利略那樣，不畏艱險，執(zhí)著追求，不斷探索，不斷開拓新的科學領(lǐng)域，深化人類對宇宙的認識。我們紀念伽利略，不僅是為了紀念他對科學的巨大貢獻，更要學習、繼承和發(fā)揚伽利略的勇于創(chuàng)新、善于創(chuàng)新和為科學真理而獻身的精神，為提高我國的自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家，不斷做出創(chuàng)新貢獻。

（摘自中國科學技術(shù)出版社《創(chuàng)新的啟示：關(guān)于百年科技創(chuàng)新的若干思考》）