物理學家張杰談宇宙起源：人類的觀察極限已達毫秒級

兩千五百年前，屈原一篇《天問》發出了中國人追尋宇宙奧妙的千年之嘆：“遂古之初、誰傳道之，上下未形，何由考之……”2022年7月，詹姆斯韋伯太空望遠鏡公布第一批宇宙照片，人類的目光到達了距離地球46億光年的遙遠距離……然而宇宙對人類來說仍然充滿了無數謎團，其中排在最前列的肯定是宇宙的起源。

138億年前的宇宙大爆炸后發生了什么？如今人類探索宇宙本源的極限在哪里？人類離揭開暗物質的秘密還有多遠？11月17日，匯星樓一號報告廳座無虛席，著名物理學家、李政道研究所所長、五院院士、上海交通大學原校長張杰在深圳大學“大師面對面”講座上，分享了關于宇宙物質起源與演化最前沿的科學發現與思考。

張杰在深圳大學“大師面對面”講座上，分享關于宇宙物質起源與演化最前沿的科學發現與思考。 深圳大學供圖

張杰，1958年出生，著名物理學家，曾任上海交通大學校長（2006年至2017年）。他是中國科學院院士、德國國家科學院院士、發展中國家科學院院士、英國皇家工程院外籍院士、美國國家科學院外籍院士。現任中國物理學會理事長，李政道研究所所長，曾任中國科學院副院長。

張杰主要從事高能量密度物理前沿研究，與科研團隊研制了超短脈沖高能電子衍射與成像裝置，實現了亞毫埃級的結構變化解析能力，并將超快電子衍射的時間分辨率提高到優于50飛秒，刷新了世界紀錄。去年，張杰獲得2021年未來科學大獎“物質科學獎”。

人類觀察宇宙本源的極限已經到了毫秒級

以138億年前的宇宙大爆炸為開端，張杰梳理了物質的起源與演化過程。如今科學界的主流觀點認為，宇宙大爆炸發生在10-43秒以內，被稱為普朗克時代。在10-43秒至10-35秒時宇宙進入了暴漲時代，從10-35秒至10-3秒宇宙進入了輕子時代。目前，人類對宇宙起源的認識，已經能追溯到10-3秒，也就是毫秒級別了。

“現在的宇宙是一個暗能量主導的宇宙。”張杰說到，到了大爆炸后2億年，在暗物質的幫助下第一代恒星在黑暗時代中形成。宇宙從大爆炸開始，走過由輻射主導、物質主導到暗能量主導的不同階段，終于在10億年后誕生了第一代星系。

神秘的暗物質和暗能量是什么？張杰說，今天宇宙中95%的物質存在形式是高能量密度狀態，黑洞、反物質和暗物質等宇宙的未知部分都是這種狀態的物質。

這種物態有多極端？所謂高能量密度狀態與普通物質狀態的交界在1百萬大氣壓，1百萬大氣壓相當于將2艘 056A-輕護艦壓在面積為2㎝2的拇指上的壓強。如今，科學家們的研究的能量密度范圍是從400萬大氣壓到3500億大氣壓，3500億大氣壓壓強相當于將10000艘遼寧艦壓在拇指上。

我國探索早期宇宙站在世界最前沿

1054年，北宋天文學家楊惟德觀察到金牛座蟹狀星云SN1054，是人類第一次觀測到超新星爆發。2022年7月，詹姆斯韋伯太空望遠鏡公布第一批照片位于飛魚座的星系團SMACS 0723，已經距離地球46億光年。

張杰介紹，從楊惟德肉眼觀察到韋伯太空望遠鏡，在人類探索早期宇宙本源的過程中，我國做出了重要貢獻，以李政道研究所科學家為代表的中國科學家已經站在了世界的最前沿。

李政道研究所的景益鵬團隊獲得了最大的星系弱引力透鏡樣本（3億）、最大的星系群樣本（9700萬）、最精確的銀河系暗物質分布與質量測量。如今，人類已經可以知道暗物質和暗能量在宇宙的演化中起到了重要作用，在宇宙里，重子物質只占5%，暗物質占23%，暗能量占72%，雖然我們尚不知道它們的本質。

季向東、劉江來團隊在四川錦屏深地實驗室先后建成三代PandaX液氙實驗，高靈敏度搜尋暗物質，多次獲得探測靈敏度國際領先的結果。這個實驗室建在地下2400米深處，研究人員在里面度過了無數個日日夜夜，他們甚至連見太陽的時間都屈指可數。

傳統上人類利用電磁波進行天文觀測，后來中微子和引力波提供了新的觀測手段，于是多種觀測手段聯合觀測構成了多信使天文學。在這一領域，徐東蓮團隊正在實施“海鈴計劃”，建設中國南海深海中微子望遠鏡，通過捕捉高能天體中微子來探索極端宇宙。2021年9月消息，海試團隊成功在預定海域布放數套自研實驗儀器并采集到珍貴數據，這些數據驗證了預選海域作為中微子望遠鏡候選臺址的可行性。

傳統上天文學為觀測科學，而非實驗科學，科學家們利用高能量密度激光實現了天文學從觀測走向實驗。張杰領銜的團隊利用強激光，成功模擬了太陽耀斑中的磁重聯噴流及環頂X射線源、黑洞周邊的光電離、超新星遺跡無碰撞沖擊波等天體或天文現象，并進行了深入研究。

“宇宙中95%的物質存在形式是高能量密度狀態，對高能量密度物理過程的探索將為人類了解更加廣闊的宇宙打開一扇大門，更加豐富多彩的未來世界已然出現在我們眼前。”張杰如是說。