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面對宇宙,我們都還很年輕

天文學科與人類息息相關。這個夏天,在南京大學一流學科專題夏令營上,方成院士的講座深入淺出,來自全國的235名高中生聽得聚精會神。

“如果遇到毁灭地球的小行星我们怎么办?”“太阳会否出现失控的情况?”“太阳黑子和耀斑之间有什么关联?” 2个小时的演讲后,同学们意犹未尽地掀起了提问的热潮。面对宇宙,无论是年已八旬的方院士,还是不到20岁的孩子们,都有无穷的兴趣和追问。

面對孩子們天馬行空的問題,方院士也十分耐心,不僅給出答案,還用精確的數字和豐實的案例,勾勒科學問題的全貌。

“剛剛您說,最近的恒星離我們太遙遠了,人可能到不了,能否用機器人代替我們人類到達遙遠的星球?”一個女生提問道。方院士肯定了她的想法,“隨著AI快速發展,我們很可能會將機器人送入太空。但是,最近的恒星離我們都有4.3個光年,以現在的火箭速度8萬多年才能到。即便是機器人,也難保不會損壞,提高火箭速度可能更現實。”他笑道,“孫悟空一個跟頭十萬八千裏,人類的火箭可否先達到一半的光速?”他還給大家介紹了最近的一個“光帆計劃”,用光爲飛船提供推力,技術成熟後,人類或可馭光而行,距離其他星系也就不遠了。

“我們喜歡有活躍思維的學生,死讀書讀死書是不行的。”方成告訴新華日報全媒體科教新聞部&“A青年”記者。天文學科優秀的後繼人才,一直是方成關心的頭等大事。除了日常的科研工作外,他經常到中小學做科普講座。

“天文學需要很強的數學、物理基礎、天文觀測能力。天文學不缺人才,缺的是拔尖人才。”方成感慨,64年前,包括方成在內的24個學生是以全校最高的平均錄取分數考取南大天文系的,其中不乏各省市的“狀元”。

一方面實用主義讓更多孩子選擇熱門學科,另一方面中小學生科研素養堪憂。2014年,包括方成在內的部分江蘇院士曾起草《關于中學教育改革的調查報告》,核心內容是,中學教育不能唯高考而教學,物理化學等科學課的任意縮減是個很大的問題。“相信這個情況慢慢會發生改變,科學教育要從娃娃抓起。”

國家和社會要發展,人類要進步,必須依靠科學技術的進步。科學技術進步了,才能夠不斷了解世界,今天我們就帶大家看看宇宙中究竟有哪些奧秘?哪些需要我們去探索研究?


人物介紹:天體物理學家方成

方成,天體物理學家。江蘇江陰人。南京大學教授,中國科學院院士,第三世界科學院院士。曾任國際天文學聯合會副主席、中國天文學會理事長。爲我國太陽物理領域的發展做出了卓越貢獻。2010年,國際編號爲185538號小行星被命名爲“方成星”。


1958年,南京大學天文系決心建造中國第一座塔式太陽望遠鏡,項目被列入國家第二個五年計劃。沒有理論借鑒,沒有技術資料,甚至沒有經費,方成只能上下求索。期間,工程經曆困難,被迫停工。

直到1973年,南大天文系重啓“太陽塔”研制。爲了尋找塔址,方成帶著研制組的同事,騎著單車把南京城兜了幾遍,進行了許多測量工作,才找到了合適的建塔地址。

建塔初期,工地上沒電沒水,更沒有住房,有的只是衆多的墳頭。方成和同事就地搭了一個茅草棚,白天挑水上山,夜晚靠油燈照明,輪流值班。

1980年,在孝陵衛的荒地裏,高達21米的我國第一座太陽塔終于誕生了。1982年,太陽塔通過鑒定,被認爲是“達到了國際上口徑相近、非真空太陽望遠鏡的水平”。

建成後,方成默默地守著太陽塔工作了22年,爲我國太陽物理研究積累了寶貴資料,榮獲國家教委科技進步獎一等獎、國家科技進步二等獎、國家自然科學三等獎等多種獎項。如今,方成院士仍在親自處理一些觀測資料。爲了調試安裝在雲南的南京大學新望遠鏡,方院士在2010-2015年間跑了昆明近20次。事無巨細,望遠鏡發展的點點滴滴都凝聚了他的心血。


大師開講:宇宙哪些奧秘值得我們去探究?

國家和社會要發展,人類要進步,必須依靠科學技術的進步。科學技術進步了,才能夠不斷了解世界,今天我們就帶大家看看宇宙中究竟有哪些奧秘?哪些需要我們去探索研究?

宇宙是如何起源的星系、恒星、星雲……宇宙世界十分豐富。比如有像一朵玫瑰花的玫瑰星雲,非常有趣。恒星會不斷誕生,也會消失、死亡。那麽宇宙是如何起源的?現在通常的一個解釋,就是宇宙大爆炸——宇宙發生過一次很大規模的爆炸,産生了氣體,慢慢地形成了我們的星系、太陽和地球。但是,我們現在沒有辦法去證明這個理論。

爆炸以後,宇宙曾經經曆過茫茫的黑暗。沒有行星,沒有恒星,只有一些很小的粒子,比方中微子、電子。經過了四億多年的時間,宇宙中慢慢地才産生了第一個恒星。很多很多年後,宇宙才産生了第一個星系。大爆炸幾十億年後,才有了太陽系。太陽系已經有一百億年的時間,也就是說大爆炸幾十億年之後才有了太陽系。

恒星跟我們人一樣,有生有死。比如說,太陽的壽命大概是一百億年的時間,太陽從産生到現在大概有四十五億年左右,相當于人類的中年。恒星怎麽來的,從誕生到衰老是怎麽一個過程呢,這是我們人類非常關心的一個問題。

還有個非常有意思的地方,宇宙正在加速地膨脹。2011年,有三位物理學家,發現了宇宙加速膨脹的一些證據,因此獲得了諾貝爾獎。

宇宙爲什麽會加速膨脹呢?有人提出“暗能量”說。暗能量是什麽?說不清楚,但宇宙的74%都是暗能量。有了暗能量以後,宇宙才能膨脹。

提出暗物質的原因很簡單。我們地球爲什麽繞太陽轉,因爲太陽有引力。如果沒有引力,地球就飛掉了。星系也一樣的,星系的周圍有引力,所以很多星星繞著星系的中心旋轉。但如果我們計算所有星系的引力,會驚訝的發現,所有星系引力的總和並不足以吸住這些外圍的星星。那麽一定有某種看不見的引力,即暗物質的引力。所以現在21世紀物理界兩朵烏雲,一朵是暗物質,另一朵就是暗能量。

地球外會不會有生命地球以外,到底有沒有生命?生命是如何産生的,是不是一定要有水和氧氣?

科学家探测火星的地貌,地面上能看到很多“白帽子”。这很像我们地球南北极的冰盖。那么这个“白帽子”是不是水冰呢?不能确定,也可能是干冰。我们还能看到火星上面的云。这个云是什么,是不是水汽?现在还不清楚。我们看到很多流沙,像水流流过的一条一条 “河沟”。2018年,意大利的科学家通过雷达在火星南极附近大约1.5公里冰层下,探测到大量稳定的液态水体。所以火星很可能是有生命存在的。

當然除了火星以外,我們還有木星。木星有好多衛星。比如說,伽利略衛星。伽利略1609年發明望遠鏡後,他觀測發現了四個衛星,即木衛一、木衛二、木衛三、木衛四。2017年,美國國家航空航天局(NASA)就宣布了土衛二具備了生命所需的所有元素,包括水、海底熱活動、氫氣等等。

但是,目前我們還沒有任何一方能最後證明太陽系除地球外的七大行星及衛星上有生命。我想經過大家的努力,在不久的將來,也許十年,也許二十年,人類就可以真正地發現太陽系裏面的生命。

未來我們國家的月球探測,還要探測月球的南極。月球白天溫度高至三四百度,水會完全蒸發掉。所以月球表面不會有水,但是月球地底下,特別是南極,可能會有以冰形式存在的水。未來我國會發射衛星到月球南極去看看,挖個洞,如果發現有水的話,我們人類或許就可以在月球上居住,建空間站。

在行星探測上,我們日益跟上了國際步伐。未來我國還要發展小行星探測,2025年到2030年左右,中國會發射專門探測小行星的衛星。明年可能啓動的是火星探測。

此外,科學家們會將目光放到太陽系之外,集中力量尋找宜居星球。目前已經找到4000多個太陽系外的行星,但是其中只有幾十個有點像地球,而像木星、土星的行星我們探測到很多。因爲類似地球的行星太小,測量其公轉很困難。我相信,隨著技術的發展,我們會探測到越來越多的像地球一樣的行星。

離我們地球最近的是半人馬座的α星球,距離我們4.3個光年。光線要走4.3年才能到那裏。這個距離遠到人類去不了。我們搭上秒速16千米的最快火箭,也要飛8萬多年才能抵達。未來我們能否發明光速的火箭?還需要我們不斷地努力。

太陽耀斑如何預報太陽每隔11年,都會經曆一個活躍的高峰期,古時候叫“金鳥”的太陽黑子,結構複雜,還會隨著時間流逝從高緯度向低緯度移動,形成一個周期。黑子是怎麽形成的?人們做了很多的研究,到現在也沒有一個明確的說法。

太陽耀斑每一次的爆發都相當于十萬次的火山爆發,一百萬次的氫彈爆炸。壯觀、漂亮的耀斑爆發後,會發出了大量的γ射線和其他輻射、高能粒子等,對地球影響很大。耀斑如何産生,怎麽預報?這是非常重大的問題。

宇宙空間的災害天氣還包括超級太陽風暴。比如1859年發生過的“卡林頓”事件,當時各國還沒有建立起現代電網和衛星等,僅僅是燒壞了剛發明的電報機。如果該事件發生在依賴電力供應和高科技的現代社會,後果不堪設想。

人类采取空间探测、地面探测等多种方法。人类的探索是无止境的,比如未来我们将登陆月球,最终建立科学站,科学家能在月球上工作,充分利用月球。我国还发射了“悟空”的天文卫星,探测暗物质的一些迹象。“悟空”后我国还发射了 “慧眼”,它将巡视宇宙中的X射线源,详细研究黑洞和脉冲星,并监测伽马射线暴,探索利用脉冲星为航天器导航等。

地面上,我们也有很多好的计划。比方说,我国将建立一个口径12米的通用光学-红外天文望远镜 (LOT)。现在世界最大的望远镜是多少呢?10米左右。建好之后,我们有空间望远镜、有卫星、有地面大型望远镜,我们就可以看得更远,去探索宇宙里面的奥秘。

在科學上沒有平坦大道要解決宇宙裏面的奧秘,必須要依靠科學。追求科學才是成功之母。

中國著名的數學科學家陳景潤,他用幾十年的時間證明哥德巴赫猜想,證明了“1+2”,稿紙用了幾麻袋。到目前爲止,全世界沒有人超過他。他講過,攀登科學高峰,就像登山運動員攀登珠穆朗瑪峰一樣,要克服無數艱難險阻。懦夫和懶漢是不可能享受到勝利的喜悅和幸福的。要探索宇宙的奧秘,就必須像這些曆史上的科學家一樣,做出艱苦的努力,這也是科學的魅力所在,如果很容易地就做出成果,那也不算了不起。

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來源:“A青年”公衆號