沌初开
——揭开宇宙学的神秘面纱
浩渺的宇宙，珍藏着很多秘密，等待着人类去探寻。2017年6月12日上午，珠海北大附属实验学校邀请中山大学物理与天文学院博士生导师黄志琦教授，在高中部报告厅举办一场题为“混沌初开——宇宙背景微波辐射”的科普大讲堂，高一年级同学们聆听了一场来自科学前沿的理论盛宴。
黄教授的讲座分为四个部分：宇宙的尺度和构成、宇宙背景微波辐射、第一推动力从何而来？未来会怎样？他根据高中生的知识水平，深入浅出地讲解距离的概念和宇宙的范围。在牛顿提出万有引力之前，宇宙学基本是个宗教和哲学问题。随着观测技术的进步，有些现象无法解释，如水星进动、光线经过恒星附近时的弯曲、星系外围恒星运动速度、超新星测距得出宇宙加速膨胀。
现代版的“混沌初开”理论诞生了，宇宙一开始是很热的“一片混沌”，温度随着宇宙膨胀而降低，当温度降到太阳表面温度的一半时，“混沌初开”，宇宙变得透明。
宇宙背景微波辐射（CMB）的预言于1950年被两位科学家提出：宇宙的外壳只有几K，1964年在射电望远镜噪声中意外发现了约3K的背景辐射，1990年1月美国天文学会的一次会议上，展示了一张卫星观测的CMB谱和预言的黑体谱完全吻合，精确计算再次得到了观测验证。2.73K的宇宙背景微波辐射虽然非常均匀，但在各个方向上还是有大概十万分之一的起伏，黄教授展示了减掉平均温度的CMB温度图，宇宙被展开在同学们面前，令人惊异。
关于极早期宇宙的猜测，黄教授提到真空不空的概念，场无处不在，每种场对应一种粒子（或一对粒子）。各种粒子的场都“住”在四维空间里，如果时空结构发生剧烈变化，就能“无中生有”。基于这种想法的理论有：霍金的黑洞蒸发理论、宇宙早期暴涨理论，但是量子场论和广义相对论还是无法统一。霍金以及一批俄罗斯科学家发展起来一种在特殊情况下，可以从平直时空外推到弯曲时空的计算方法，十分管用。GPS卫星定位就是这种理论的现实应用。现在的宇宙学模型只有6个自由参数，我们已经检查了数百亿个观测数据，没有发现任何与理论语言矛盾的地方。
艰深的理论，一张张图表，让同学们感觉在听“天书”，但把“天书”说得好，展现了博导的水平。这是人类智力的大考验，需要99%科学家的失败方能幸运获得突破。自上世纪80年代以来，宇宙学只能做修修补补的工作，可观测宇宙有130亿年的历史，人类如恒河沙数，但是不会停下探寻宇宙奥秘的脚步。
周建军主任本科毕业于物理系，与黄教授探讨了有关物理学前沿的问题。
会后，同学们到操场参与了中山大学物理与天文学院学生们组织的科普活动，一个个书本上的物理定律被生动直观的小实验、小游戏演示出来，可触可感，激发思考和动手能力。
学习通道全面打开，珠海北大附属实验学校引进国内一流的教学资源，整合国内最尖端的学术专家，为学生们爱科学、学科学、用科学打开一面通往宇宙的窗户，相信他们将受益终身。
（文、图：王智勇）
