博雅沙龙 | 观天测地——科学探索永无止境

人类自诞生之时，就开始了对天地的观测和思考，那么天文学主要研究什么呢？赵江南老师首先从“观天”的角度，为大家讲解宇宙的相关科学问题。

天文学主要研究观测所及的时间、空间和物质的总和，对某个具体的天体而言，即它的位置、分布、运动、结构、物理状态、化学组成，以及恒星、星系和宇宙的起源演化等。

从哥白尼的“地心说”到开普勒行星运动三定律的提出，人们对宇宙的认知朝着科学的方向不断前进。甚至对于“为什么地球绕着太阳转”这样一个问题，科学家们都有着不同的认知，牛顿认为万有引力的作用就是使得地球绕着太阳转。而爱因斯坦认为，太阳的质量使得太阳周边的时空弯曲了，弯曲的时空本身具有推动物体运动的能力，地球受到太阳周围弯曲时空的影响，围绕太阳运动。在此处，赵老师提醒我们，每一位学者的想法与他所处的时代背景总是相关的。

在对一些基本观点进行了简单介绍之后，赵老师针对中微子之谜、黑洞、白洞、虫洞、暗物质和暗能量等当今天文学的热点问题展开了讲解。

中微子之谜

中微子是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，太阳核反应会产生大量中微子，中微子不带电，质量非常轻，以接近光速运动。与其他物质的相互作用十分微弱，科学家从预言它的存在到发现它，用了20多年的时间。但测量结果仅为理论值的1/3。

黑洞

黑洞是大质量天体无限引力坍缩的产物，通常认为其密度极高。关于黑洞有很多研究，在上世纪八十年代，就有学者认为银河系中心有一个巨型黑洞，美国天文学家安吉亚·海瑟用凯克望远镜进行了长达15年的跟踪拍摄，证明了这一猜想，并且发现其质量为400万个太阳质量。

引力波

2016年2月11日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布，人类首次发现了引力波。童年6月15日宣布，再次探测到引力波的存在。1915年爱因斯坦的广义相对论提出之后，这个描述“时空和物质”理论在很多地方受到实验检验。要理解广义相对论，需要知道两句话：

第一句话：空间三维+时间一维，这样时空就是四维。

第二句话：时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲。

白洞

按照宇宙通常存在的对称性，应该有与黑洞相对应的天体存在，也就是恒星坍缩的逆过程，这就是宇宙物质的“火山口”，大量物质和能量从那里涌出来，这样的天体成为白洞。

虫洞

虫洞由阿尔伯特.爱因斯坦提出，简单来说，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。虫洞可以把平行宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，所以也叫“灰道”。

暗物质

暗物质是一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出的物质，是比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中26%的物质含量，其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到（约4.9%）。暗物质是使星系稳定存在的条件。

暗能量

暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。它和暗物质都不会被吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。这是一种使宇宙加速膨胀的能量。

最后，赵老师为我们介绍了未来天文学面临的挑战，提出了一些问题，包括人类认识的数学可不可以描述宇宙的一切？人类是否具备认识宇宙的能力？黑洞的最终结局如何？宇宙起源究竟是什么？这些都是未解之谜，也是科学家们不断探索的方向。

申老师从地球的起源、地球的大小、地球重力场和地球的磁场四个部分对“测地”进行了分享。

地球的起源自古以来一直是人们关心的问题。在古代，人们就曾探讨包括地球在内的天体万物的形成问题。

自1543年，波兰天文学家哥白尼提出了日心说之后，天体演化的讨论才开始步入科学范畴，逐渐形成了诸如星云说，遭遇说等学说。申老师从星云假说入手，解释了地球的起源过程。

1755年，康德提出星云假说，1796年，拉普拉斯将星云假说数学化、模型化，逐渐被科学界所接受。星云假说认为太阳系起源于一团高温、旋转的气体星云，由于引力作用逐渐收缩，旋转加快。速度加快到一定程度后，就由它的外缘抛出气体物质，形成星云环。星云环冷却聚结，形成行星，有规则的卫星系也是经过类似的过程形成的。这样，太阳系轨道的规律性便得到自然的解释。

地球究竟有多大呢？地球的大小又应该如何测量？在古希腊，泰勒斯、毕达哥拉斯、亚里士多德等著名的科学家、哲学家推测地球是球形的，但是他们所推测的地球大小与如今认识相差甚远。真正测量出较为准确地球大小的是古希腊数学家埃拉托色尼，他于公元前225年，在欧几里得几何的基础之上，测量计算出地球的半径是6267km。如今的测量方法则更为丰富多样，比如利用GNSS定位、卫星测高、InSAR技术等，科学家们可以轻松测出精确的数据。

重力是引力和离心力之和，申老师首先通过万有引力定律和卡文迪什扭秤实验简单介绍了引力的概念，牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表了万有引力定律，对物理学和天文学的发展具有深远的影响。卡文迪什实验则是第一个在实验室里完成的测量两个物体之间万有引力的实验，并且第一个准确求出了万有引力常数和地球质量。离心力是由地球自转产生，为了证明地球在自转，法国物理学家傅科（1819—1868）于1851年做了一次成功的摆动实验，在傅科摆试验中，人们看到，摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动的结果，地球上的观察者看到相对运动现象，从而有力地证明了地球在自转。如今，随着卫星重力新技术的发展，大地测量学者开始利用CHAMP、GRACE、GOCE等卫星对地球重力场进行测量。重力场的应用也是非常广泛的，可以利用重力匹配辅助导航、反演地壳和岩石圈厚度、利用重力数据获取行星内部信息等。

第四个部分是地球的磁场。中国古代就已经发明了指南针的原型——司南，北宋时期的沈括（1090）指出，指南针的指向并不是正南方，而是和正南方有个偏角。第一个提出地磁场理论概念的是英国物理学家吉尔伯特，他于1600年提出，地球本身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极重合。奥斯特（Oersted 1777-1851）在1820年提出电流导致磁效应，法拉第（Faraday 1791~1867）于1831年发现磁力线变化可产生电，提出电磁感应之谜，著名数学家高斯于1839年提出地磁场球谐分析。地磁起源是地球科学领域最具挑战性的难题之一，有待破解的还有很多方面。