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        天體物理學家方成:面對宇宙,我們還很年輕

        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。

        “如果遇到毀滅地球的小行星我們怎么辦?”“太陽會否出現失控的情況?”“太陽黑子和耀斑之間有什么關聯?” 2個小時的演講后,同學們意猶未盡地掀起了提問的熱潮。面對宇宙,無論是年已八旬的方院士,還是不到20歲的孩子們,都有無窮的興趣和追問。

        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里,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”,用光為飛船提供推力,技術成熟后,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。天文學科優秀的后繼人才,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。為我國太陽物理領域的發展做出了卓越貢獻。2010年,國際編號為185538號小行星被命名為“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,工程經歷困難,被迫停工。

        直到1973年,南大天文系重啟“太陽塔”研制。為了尋找塔址,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,有的只是眾多的墳頭。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,在孝陵衛的荒地里,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,被認為是“達到了國際上口徑相近、非真空太陽望遠鏡的水平”。

        建成后,方成默默地守著太陽塔工作了22年,為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。為了調試安裝在云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、星云……宇宙世界十分豐富。比如有像一朵玫瑰花的玫瑰星云,非常有趣。恒星會不斷誕生,也會消失、死亡。那么宇宙是如何起源的?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,產生了氣體,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。

        爆炸以后,宇宙曾經經歷過茫茫的黑暗。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,宇宙中慢慢地才產生了第一個恒星。很多很多年后,宇宙才產生了第一個星系。大爆炸幾十億年后,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后才有了太陽系。

        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,太陽從產生到現在大概有四十五億年左右,相當于人類的中年。恒星怎么來的,從誕生到衰老是怎么一個過程呢,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。

        宇宙為什么會加速膨脹呢?有人提出“暗能量”說。暗能量是什么?說不清楚,但宇宙的74%都是暗能量。有了暗能量以后,宇宙才能膨脹。

        提出暗物質的原因很簡單。我們地球為什么繞太陽轉,因為太陽有引力。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并不足以吸住這些外圍的星星。那么一定有某種看不見的引力,即暗物質的引力。所以現在21世紀物理界兩朵烏云,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?生命是如何產生的,是不是一定要有水和氧氣?

        科學家探測火星的地貌,地面上能看到很多“白帽子”。這很像我們地球南北極的冰蓋。那么這個“白帽子”是不是水冰呢?不能確定,也可能是干冰。我們還能看到火星上面的云。這個云是什么,是不是水汽?現在還不清楚。我們看到很多流沙,像水流流過的一條一條 “河溝”。2018年,意大利的科學家通過雷達在火星南極附近大約1.5公里冰層下,探測到大量穩定的液態水體。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年發明望遠鏡后,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后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里面的生命。

        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。明年可能啟動的是火星探測。

        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。因為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年才能到那里。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,都會經歷一個活躍的高峰期,古時候叫“金鳥”的太陽黑子,結構復雜,還會隨著時間流逝從高緯度向低緯度移動,形成一個周期。黑子是怎么形成的?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、漂亮的耀斑爆發后,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。耀斑如何產生,怎么預報?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,后果不堪設想。

        人類采取空間探測、地面探測等多種方法。人類的探索是無止境的,比如未來我們將登陸月球,最終建立科學站,科學家能在月球上工作,充分利用月球。我國還發射了“悟空”的天文衛星,探測暗物質的一些跡象。“悟空”后我國還發射了 “慧眼”,它將巡視宇宙中的X射線源,詳細研究黑洞和脈沖星,并監測伽馬射線暴,探索利用脈沖星為航天器導航等。

        地面上,我們也有很多好的計劃。比方說,我國將建立一個口徑12米的通用光學-紅外天文望遠鏡 (LOT)。現在世界最大的望遠鏡是多少呢?10米左右。建好之后,我們有空間望遠鏡、有衛星、有地面大型望遠鏡,我們就可以看得更遠,去探索宇宙里面的奧秘。

        在科學上沒有平坦大道要解決宇宙里面的奧秘,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。到目前為止,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,就必須像這些歷史上的科學家一樣,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”公眾號


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