宇宙学的最新进展

    人类天生就对我们的起源和所居住的环境抱有好奇心。说到起源，没有比宇宙的起源更重大的议题了。这个大问题就是宇宙学所要讨论的话题，也是现代物理学重要的分支。

    我们知道宇宙已经有137亿年的历史，过去20年里宇宙学又研究了什么呢？宇宙学主要研究宇宙是由什么组成的。宇宙由5%的普通物质组成，比如原子，原子是行星、恒星基础的组成物质。还有25%的成分是暗物质，这些暗物质不会产生任何类型的光，但是在宇宙的演化过程中却扮演了重要角色。另外70%是由暗能量组成，这种力量让宇宙以越来越快的速度膨胀。我们已经了解到了很多有意思的现象，比如我们所处的银河系由上千亿颗恒星组成，地球在银河系盘面上距离中心三分之二处的位置上，那么我们这个星系的起源是什么呢？

    物理学家和天文学家所需要解决的问题，在过去的几年中取得了重要进展。在大爆炸之后短短一秒钟的时间里，宇宙经历了一些非常重要的时刻：它在极短的时间内急剧扩张；一开始宇宙只是一个奇点，在爆炸的过程中出现了量子波动，爆炸之后到10-10秒之间就出现了暗物质，然后又出现了其他的一些现象。

    那么我们是如何知道宇宙是这样产生的呢？光的速度是每秒30万公里，我们只是看到物体它过去的样子，和其他科学家不同，天文学家是一群观测过去的科学家。

    像银河系这样的星系有上千亿颗恒星，光从一端穿梭到另一端需要10万年，离我们最近的星系M31距离我们有两百多万光年，还有星系团，离我们最近的一个比较大的是室女座星系团，有5400万光年。所以，现在我们看到的星系团的样子是5400万光年以前的样子，那个时候人类还没有诞生。

    宇宙当中有一千亿个星系，恒星的数量就更多了。每一个星系都有1000多亿颗恒星，所以星海浩瀚！有一些星系距离我们太远，尽管现在看不到它们，但是物理学家可以了解到星系形成之前的状况。

    宇宙大爆炸之后，现在看到的微波背景辐射就已经产生，它能够为我们提供宇宙的第一手资料。在137亿年的宇宙膨胀历史中，它一直在为我们传递相关的信息，让我们了解到早期宇宙的样子。

    现在的宇宙学是建立在物理学定律的基础上，通过实验和数学的方式来研究宇宙。尽管我们无法去其他星系做实验，但是可以通过在不同的时间段截取一些信息来研究宇宙学。这个方式非常强大，却也有一定的局限性。

    之前，通过计算机模拟的技术可以帮助我们模拟和推演宇宙演化的过程，做这样一个实验首先要了解宇宙初始的状态，然后需要对宇宙成分有基本的假定，之后在这样的基础上来进行建模，通过求解一些物理定律，最终形成目前宇宙的情况。

    我们的未来在哪里？人们已经决定花费数百亿元来开发一些设备探索宇宙，中国也参与了很多。除此以外，还有一些人工智能的应用，能够把恒星和星系通过电脑来演示，甚至也可以演示大爆炸时期的量子波动。在接下来的几十年中，或许我们可以在计算机上模拟行星、模拟最初生命的情况。

    （作者：卡洛斯·弗伦克，系英国皇家科学院院士、英国杜伦大学教授，此文是作者在“人类命运共同体的‘星’征程”论坛的演讲，国家天文台整理）