宣讲家文稿：探索宇宙的奥秘 恒星的前世今生

提到宇宙，我们会想到什么？比如恒星，宇宙里有很多像太阳这样的恒星；比如空间站，那是我们人类前往太空生活的第一步；比如神秘的黑洞、外星人……近年来，关于宇宙的科幻电影和小说也是十分受欢迎的：《2012》讲述了一个关于玛雅预言、地球末日的故事，设想了一个太阳活动突然加剧的故事背景，由此产生出的很多中微子导致了地球核心的加热、融化，最终引发了大海啸。当然，这是一个科幻的想象，中微子尽管是天体物理研究中的重要内容，但与物质的相互作用概率是非常低的，也正因如此才被称为宇宙的信使，为我们带来了宇宙深处的信息。《星际穿越》的故事中，主人公在乘坐宇宙飞船进行星际航行时，遭遇了宇宙中最神秘的天体——黑洞，并为我们展示了关于黑洞的科幻想象。作为一部优秀的国产科幻电影，《流浪地球》取得了巨大反响，使2019年被誉为中国科幻电影元年，讲述的是太阳到了“晚年”并开始燃烧其中的氦元素，将会使地球所处的位置不再适合生物生存，于是人类要“带着地球去流浪”，寻找新的家园。著名科幻小说《三体》，描绘了一个生存在由三颗恒星组成的极不稳定的聚星系统之下的文明，发现了4光年之外的地球，并引发了星际文明之间冲突的背景故事。

可以说，宇宙是人类科技探索的最前沿，是科幻作品生生不息的题材。那么，我们今天的话题也将从宇宙开始。

一、宇宙的诞生

宇宙是什么？其实宇宙就是一切，从微观粒子、原子核、中微子到最大的恒星系均囊括其中，甚至超越了人类目前所掌握的知识范围。宇宙是我们能看到的和所知道的一切，包括物质、能量、时间和空间。尽管我们知道，宇宙正在不断膨胀，但是仍然不清楚宇宙到底有多大。1916年，爱因斯坦提出了广义相对论，时至今日仍对我们研究宇宙起着非常重要的作用。宇宙是什么形状？爱因斯坦认为，宇宙的形状有可能是闭合的圆球形、马鞍形或像纸一样平坦的。当然，这些观点目前都只是科学的猜想，并没有得到证实。

提到宇宙，我们也就必然要提到“光”。我们在丈量距离时，通常是用米、公里等单位，但是用这些单位丈量宇宙中的距离是远远不够的，所以就需要用到光年。光是宇宙中最快的东西，其每秒的速度为3×108米，相当于1秒就可以绕地球7.5圈、1.3秒就可以从地球到达月球。所以，我们现在主要用光年来衡量宇宙间天体的距离，即光一年能够穿越的距离。

宇宙的组成主要有三个部分：一是普通物质，二是暗物质，三是暗能量。普通物质包含了目前我们所已知的关于宇宙的一切，如所有的行星、恒星、星系等。但是，这一部分物质只占了宇宙的5%左右。暗物质是我们看不见、摸不着，目前没有找到，但是有迹象表明其存在的，占了宇宙的25%左右。那么，剩下的70%左右则是更加神秘的暗能量，也是我们的宇宙加速膨胀的原因之一。

关于宇宙演化的理论，存在一个发展的过程。1922年，苏联物理学家弗里德曼首次阐述了爱因斯坦的引力场方程存在非静态的解，推导出宇宙是一个从未停止变化的动态宇宙，从而引入了“宇宙膨胀”一词，这就是早期的宇宙膨胀理论。在宇宙膨胀理论提出后的很长一段时间内，科学界对其“不屑一顾”。爱因斯坦也对这一理论持怀疑态度，认为动态宇宙是不合理的，于是便在引力场方程中又强加了一个“宇宙常数”，以维持静态宇宙的计算结果。英国天文学家霍伊尔也是宇宙膨胀理论的反对者。有意思的是，大爆炸理论，不仅名称来自霍伊尔，广为人知也是因为他。

不过，到目前为止，我们已经发现了三个实验证据，足以证明宇宙大爆炸理论的正确性：一是谱线红移。1929年，哈勃发现了一个惊人现象：不管你往哪个方向看，远处的星系正在急速远离而去，这就是谱线红移（波长变长）现象。换言之，宇宙正在不断膨胀。如果追溯到足够遥远的过去，我们就会发现在某一时刻，宇宙中所有的物质刚好集中在同一地方。所以，哈勃的发现暗示了一个创生宇宙初始时刻的存在。得知这一消息后，爱因斯坦很快来到威尔逊天文台，在哈勃的带领下亲自观测了星系的谱线红移现象。访问结束后，爱因斯坦公开承认了自己的错误，并去掉了引力场方程中的“宇宙常数”，于是就有了我们今天所熟知的爱因斯坦场方程。谱线红移现象的发现，是对宇宙大爆炸理论的有力支持之一。从此，天平逐渐从稳恒态宇宙模型向大爆炸理论倾斜。

二是宇宙的氦元素丰度。宇宙中最轻的元素是氢，氢气容易着火、爆炸，而氦气则更为安全、不易着火，相比之下是第二轻的元素。我们发现，恒星中产生的氦元素，远远不能解释宇宙中为什么存在这么多的氦。后来，苏联物理学家伽莫夫提出了著名的原初核合成理论。这一理论是大爆炸理论的一个支撑与延伸，即认为在宇宙大爆炸之后最初的几分钟时发生了核合成。换句话说，在第一代或者说第一颗恒星产生的宇宙大爆炸后5亿年左右之前，仅仅是大爆炸后的几分钟，核合成已经产生了如此多的氦，进而很好地解释了宇宙中的氦元素含量，成为大爆炸理论的又一例证。

三是微波背景辐射。在上述两个证据之后，很多人仍然反对宇宙大爆炸理论，比如认为如果宇宙真的存在大爆炸的话，时至今日、演化多年，应该存在温度为3K左右的微波背景辐射才对。巧合的是，1964年，美国贝尔电话公司的年轻工程师——彭齐亚斯和威尔逊，为改进卫星通信建立了高灵敏度的接收天线。一天，他们在调试天线时测量到一种无线电干扰噪声，就像以前电视机的“雪花”一样，想了许多办法却始终无法去掉。他们在转动天线时，发现噪声强度保持不变，推断其不是来自太阳系、银河系或某个河外星系的射电源。经过详细分析和计算，他们得出结论：这一噪声的背景温度接近2.7K，正是大爆炸理论中的宇宙微波背景辐射。

如今，我们根据宇宙大爆炸理论，知晓了宇宙的诞生大概是什么样子的：宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸，时间、空间都在这一瞬间产生。宇宙诞生于一个密度非常大、体积非常小的奇点，然后在不到1秒的时间内变成一座城市般大小，且其温度随着不断膨胀而降低。大约5亿年后，宇宙的第一代恒星和星系开始形成。90亿年后，我们的太阳系开始形成。138亿年后的今天，我们的宇宙仍在不断膨胀中。

二、恒星的一生

所有的恒星都起始于星云——一种气体尘埃云。因其相对密度较大，星云会不断吸积周围密度较小区域的物质。随着吸积物质越来越多、质量越来越大、温度越来越高，其核心开始发生聚变，进而开始发光发热。如此一来，真正意义上的恒星诞生了。

这样一颗所谓的孤立恒星，其演化的快慢、轨迹完全取决于初始的质量。太阳这样的中小质量的恒星，首先会燃烧内部的氢，氢燃烧完之后会燃烧氦。燃烧氦阶段的太阳，就成为所谓的红巨星，会变得非常大。在其内部的核聚变最终停止后，太阳会变成白矮星。当然，一些质量非常大的恒星，到了这一步仍不会停下来，会进一步反应其中的碳、氧、硅，最后形成铁核心。之后，铁核心会不断发生塌缩，导致超新星爆发。超新星爆发后，恒星剩下的一部分就会形成中子星或黑洞。此外，还有一种红矮星，是比太阳的质量还要小一些的恒星，其亮度不是特别亮、燃烧得也非常慢，比如距离太阳4光年的最近恒星——比邻星。相对而言，大质量的恒星寿命是短暂的，而太阳已经形成了46亿年，仍处于氢燃烧阶段并将持续50亿年。此外，宇宙中还存在一些“失败的”恒星，也就是那些质量非常小，以至于不能引发核心内部聚变、不会发光发热的恒星。

大质量恒星演化到末期塌缩成的神秘天体有二：中子星的密度是非常大的，以至于仅饭勺大小的其中物质就能如大山般重；而黑洞的密度则较中子星更大。黑洞的中心区域是我们看不到的区域，其边界被称为视界，也就是再往里面就看不到了，因为这一区域的引力非常强，强到连光都跑不出来。关于黑洞的发现与研究，我们主要是通过其周围的物质特点来进行的。

除了孤立恒星，宇宙中也存在着双星系统。顾名思义，双星系统就是由两颗距离较近的恒星组成的系统。两颗恒星会相互影响对方的演化，恒星之间的物质也会共享，比如密度较大的恒星会从密度较小的，特别是气体的恒星上吸引物质。两颗密度都很大的恒星组成的双星系统，在其演化中会形成围绕着对方不断接近的过程，期间会放出引力波。近年来，我们观测到了双黑洞并合发出的引力波，也观测到了双中子星并合发出的引力波，同时发现了很多电磁信号。

此外，宇宙中还存在着三颗及以上的恒星组成的聚星系统。这一系统可能是非常不稳定的，比如《三体》就以半人马座的三合星为原型设计了一个极不稳定的聚星系统。距离太阳系4光年的半人马座的三合星，就是一颗气态巨行星围绕着三合星中最大的恒星旋转。

太阳的光和热滋润了万物生长。太阳对我们极为重要，即使它表面的一点涟漪——太阳黑子，也会给我们的生活带来影响。自古以来，人们始终好奇一个问题：太阳发光发热的巨大能量从何而来？这个问题使得众多科学家困惑不已并投身其中，力图解开这个谜团。在古代，人们尽管还未掌握足够多的科学知识，但已经意识到，太阳也许是一个熊熊燃烧的大火球。但是，太阳究竟在燃烧什么东西，可以如此经久不息？人们猜想着各种各样朴素的可能，比如燃烧树枝枯草，但这些东西太不经烧了。后来，人们发现了煤以后，就想象太阳可能是个大煤球，但经过简单计算就能发现，大煤球用不了2000年也就烧完了，而太阳的历史显然比2000年长得多。

19世纪50年代，能量守恒定律发现者、德国物理学家赫尔姆霍茨尝试用万有引力解释太阳的能量来源，即如果物质落到太阳表面就将获得一定的势能，而太阳则通过吸引星际气体和尘埃的方式获得能量。于是，人们通过这一方式测算出太阳的寿命大概是3000多万年。19世纪末，法国物理学家贝克勒尔和居里夫妇发现了天然放射性，使得人们第一次能够测定地球以及太阳系陨石的年龄，进而推断出太阳的年龄大约为50亿年，远远超过前者推导出来的3000多万年，也就证明引力不是太阳能量的主要来源。

20世纪20年代，英国天文学家爱丁顿提出，恒星能量可能来源于其内部的原子核的聚变反应。他估算的太阳中心温度必须达到4000万度，而这没有被认可。1928年，苏联物理学家伽莫夫提出了放射性元素衰变时存在的“隧道效应”，并认为核反应也有可能会存在这样一个“隧道效应”。1929年，英国天文学家阿特金森和核物理学家豪特曼斯利用伽莫夫的“隧道效应”，解释并证实了爱丁顿关于聚变反应的猜测。他们认为，虽然核聚变在理论上需要4000万度的温度才能发生，但借助“隧道效应”完全可以在低于2000万度的温度下发生，太阳就是这样发光发热的。尽管当时这二人并未提出恒星内部发生的具体是什么聚变反应，但他们的工作为后来彻底解答太阳及其他恒星的能量来源问题奠定了重要基础。

1939年，美国物理学家贝特系统地发展了核反应理论，分析了氢聚变生成氦的可能过程，提出了两种可能发生在恒星内部的产生能量的过程：一是质子-质子反应链，是质量像太阳这样的恒星的主要能量来源；二是碳氮氧（CNO）循环，是质量更大的恒星的主要能源。至此，恒星能源谜团终被解开，贝特也因此获得1967年的诺贝尔物理学奖。

恒星能源的研究历史表明：科学探索未知世界的过程充满乐趣，也存在不确定性，大科学家也可能犯错误；但是，基于科学方法的探索总是有意义的，即使当时没有完全解答某个问题，也可以为后人提供极为重要的借鉴。如果没有前人排除众多猜想，那么贝特解开恒星能源的谜团也许将花费更多时间。

三、我们的太阳系

我们的太阳系有着八大行星，还有170多颗卫星，以及数百万颗小行星、彗星和流星体。太阳系大约诞生于46亿年前，由一团密集的星际气体尘埃云形成。太阳是一个巨大的气体球，位于太阳系的中心，占太阳系质量的99％以上。因此，其引力可以控制太阳系中的一切天体。

太阳是一颗壮年恒星，已经闪耀了大约46亿年，并且将继续闪耀50亿年。太阳主要由氢和氦组成，核心发生着核聚变，把氢转化为氦，产生能量。核心温度达到1500万摄氏度，产生的能量需要数千年时间才能到达太阳表面，并以光和热的形式释放出来。太阳风是指太阳射出的等离子体带电粒子流。其中，一部分太阳风通过日冕的洞从太阳内部逃逸出来，并以非常高的速度向地球吹来。太阳风到达地球磁场时，其中一部分从地球两极进入磁场内部，形成美丽壮观的极光。

太阳从内到外分别是核心、辐射区、对流区、光球。其中，核心就像一个巨大的核反应堆，在发生着热核聚变以提供能量。核心的能量首先通过辐射区，以传导、对流、辐射的热传递方式传递到外面的区域，进入对流区，最终传递到表面的光球。通过核反应，除了产生能量外，太阳也会产生一些非常神奇的中微子。著名的太阳中微子丢失之谜，指的就是科学家发现地球上测得的中微子数量比太阳模型预言的数量要少很多，就好像一部分丢失了、找不到了。在证实测算与太阳模型都不存在错误之后，科学家猜测了第三种可能，那就是中微子在从太阳中产生出来到飞往地球的时间里发生了形态的转换，即从电子中微子变成了其他形态的中微子，而当时地球上的所有中微子探测器都是围绕着电子中微子来设计的。直到一种新的可以把所有形态的中微子都测量出来的探测器面世后，科学家才发现测量结果与太阳释放的中微子数量是一样的。

我国科学家在中微子研究方面也作出了巨大贡献，包括建议了探测方法，对中微子的聚变反应速度进行了很好的测量，以及对大亚湾中微子进行了精细研究等。其中，著名科学家、我国核科学奠基人和开拓者之一、“两弹一星”元勋王淦昌先生建议了探测中微子的方法。其相关文章是于1941年发表的，而后来的国际同行也都是基于其建议的思路进行测量的，直到2000年之后才最终测到了中微子。值得注意的是，该文章发表于当时正位于贵州遵义的浙江大学。结合抗日战争的时代背景，我们可以发现，正是在这样一个战争动荡的状态、艰苦非常的条件下，老一辈科学家反而作出了世界级的重大贡献。

四、探索宇宙恒星

关于探索宇宙、研究恒星，不同的领域有着不同的工具。比如，天文学家的工具是望远镜，从早期的伽利略望远镜、牛顿望远镜到中国科学院国家天文台的现代化的更大型的郭守敬望远镜。郭守敬望远镜也是我国的大国重器之一。除了地球上有望远镜，太空中也有望远镜，因为太空环境可以进一步避免大气的干扰，比如著名的哈勃空间望远镜就是围绕着地球运行的。其继任者——詹姆斯·韦布空间望远镜，则是围绕着太阳运行，也有着不同的研究目标。大家可能比较熟悉的是，位于我国贵州山区的中国天眼（FAST）。其口径有500米，相当于30个足球场那么大，是目前世界上单口径最大、最灵敏的射电望远镜。

和天文学家完全不同的是，核物理学家的工具是加速器，所以在交叉学科中各有各的任务。核物理学家的任务就是用大型加速器，如超导直线加速器、串列加速器，去测算恒星核过程的“速度”。这些加速器的个头都是非常大的，占地有几百上千平方米。只有用这样巨大的加速器，我们才能够把粒子加速到所需的能量，进行核反应的研究。

研究恒星的核过程是建立在一个重要概念之上的，那就是量子力学中的量子隧道效应。在经典世界中，我们要想使一个圆球翻过一段高坡，就需要让其动能超过爬坡的势能。唯有如此，圆球才有可能在经典力学世界中翻过高坡。但是，在量子力学世界中，根据量子隧道效应，只要圆球撞墙的次数足够多，就总有一次会撞过去，尽管这是一个概率非常小的事件。比如，以恒星中发生氦聚变为例，如果把碳12和氦变成氧的反应看作一个圆球撞墙的动作，那么要撞1023次，也就是1000万亿亿次才能成功一次，而这在宏观世界中是难以想象的。假如把视角放在恒星、宇宙之中，有无数个原子核同时在撞，那么在每次撞击中，每1000万亿亿个原子核中就会有1个原子核能够成功，这就是所谓的量子隧穿效应。换句话说，哪怕概率是非常低的，但以恒星、宇宙为视角，大量的物质仍然是非常可观的基础，而恒星的发光发热也就是这么来的。通过量子隧道效应，核聚变没有以恒星温度升得非常高为前提条件，这也是我们的地球适宜生存的原因之一。

当然，我们在地球上通过加速器测算如此小概率的核反应事件，依旧是非常困难的。因为反应的概率实在太低了，测算受到来自宇宙噪声的影响是非常大的，比如无数高能宇宙射线都会打到实验仪器的周围，产生出很多干扰噪声，就像置身于一座人声鼎沸的足球场中想要听清一只小鸟的叫声一样。所以，我们要想倾听宇宙的声音，就需要一个非常安静的场所。比如，我国锦屏地下实验室就位于四川省凉山州锦屏水电站锦屏山隧道中部埋深2400米处，可以屏蔽大量的宇宙射线。此外，我们要想听到宇宙中核天体反应的“美妙音乐”，除了安静的场所外，还需要有性能优异的“音乐播放器”。对此，我们需要突破三个方面的关键技术：一是毫安级强流加速器，有着极高束流强度，能够长期稳定运行；二是毫安级大功率核反应靶，具有耐高温、耐辐照的高稳定性；三是高效率探测器系统，以捕捉那些非常稀有的事件。在这三个方面，我国作出了一系列成绩：一是掌握了低本底强流高压加速技术，束流强度达到国际同类装置最好水平；二是自主研制了mA级高功率核反应靶，并通过多种创新方式增加其使用寿命；三是出色完成了高性能探测器。对此，******在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话中特别指出，“世界最强流深地核天体物理加速器成功出束”。在我们初步开展的第一批实验中，最具代表性的工作就是测量了氟-19俘获一个质子形成更重的元素——氖-20的核反应速度。

总之，我们可以以四个启示为重点，进一步总结上述关于宇宙与恒星内容的学习体会：一是重大科学发现往往隐身于普通的现象中，比如历经多年、先后五人都与中子的发现失之交臂，而查德威克通过细致的工作最终发现了中子；二是重大科学发现往往出乎意料，比如彭齐亚斯和威尔逊在把卫星天线做到极致之后，恰巧发现了宇宙微波背景辐射；三是不要怕犯错误，即错误既是难免的，也是珍贵的“财富”，比如爱因斯坦在宇宙是稳态还是动态的问题上犯了错，但却选择公开承认错误并修改其场方程；四是不要怕困难，比如我国老一辈科学家王淦昌先生在抗日战争时期，不具备做实验的艰苦条件下，仅靠自己的聪明才智，提出了中微子探测方法的建议。

最后，核天体物理是一门非常奇妙的学科，欢迎有志于此的优秀青年学生加入。

作者：郭冰 中国原子能科学研究院核物理研究所所长，研究员、博士生导师