*以下根据毛淑德2018年12月8日在高山大学（GASA）广州思享课的分享整理而成

高山大学2018年经典课程

授课老师：毛淑德，清华大学天体物理研究中心主任，1992年在普林斯顿大学获博士学位。主要研究领域为星系动力学、系外行星搜寻和引力透镜等。

天文学（Astronomy）是研究宇宙空间天体、宇宙的结构和发展的学科，也是自然科学分支中，时间和空间跨度最大的学科。

因为天体距离遥远，难以触摸，很多人理所当然地将天文学归类为脱离实际生活，普通人难以企及的“阳春白雪”。然而，我们的日常生活却与天文多有交集。

比如现如今人手一部的手机，其中的锂电池中的锂，正是脱胎于宇宙大爆炸的前三分钟。根据天文学家的推算，宇宙中锂元素的含量很少，占比不过百亿分之一，而且会随着恒星的演化逐年减少。如果想探寻锂的来源，就必须回溯到宇宙大爆炸的前几分钟。

再比如我们常用的GPS精确定位也离不开爱因斯坦的广义相对论修正，否则定位误差将在数公里左右。

另外解锁WIFI关键传输技术的背后也少不了射电天文学家的贡献。

所以，虽然天体离我们很远，天文学却离我们很近。

400多年前，伽利略对木星的观测开启了“日心说”，也拉开了现代自然科学革命的序幕。未来，在超大望远镜和高速计算机的协助下，我们有望在天文学以及自然科学领域实现新的突破，包括：

1.新物理的突破性进展。比如暗物质、暗能量，它们不仅是天文学家的研究重点，也是现代自然科学中最基本的两个问题之一。

2.在极端宇宙条件下的后爱因斯坦物理突破。黑洞、引力波等为我们提供了极端宇宙研究条件，包括能量、磁场、温度等，有助于我们理解是否存在超越爱因斯坦理论的新物理机制。

3.地外生命的探索。目前已探测到近4000个系外行星，使得地外生命的探寻不再停留于科幻的层面，同时，我们也需重新审视人类与宇宙的关系。

今天我的课程也将主要围绕以上三个方面进行展开，大致分为三个部分。第一部分关于系外行星和地外生命；第二部分介绍暗物质；第三部分谈谈黑洞、霍金以及量子引力。

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系外行星和地外生命

系外行星特指我们太阳系以外的行星，那么我们为什么要研究系外行星呢？

原因不外乎两个方面，一方面我们希望了解太阳系的起源，也就是本源性问题，另一方面我们希望找寻出除我们之外的其他地外生命，也就是唯一性问题。

基于这两个目标，整个行星科学发展迅速。1990年，我们对于系外行星的搜索尚属一片空白，而现如今，已探知的系外行星系统达到2909个，行星多达3905个。这其中，约20-30%的系统与太阳系一样，属于多行星系统。还有很多地外行星系统与太阳系大相径庭，这也是天文学家们积极研究的方向之一。

可以说，短短30年间，行星科学领域已经发生了翻天覆地的变化，这些变革离不开日新月异的探测手段和技术提升。目前已知的系外行星探测方法有6种，常见的包括：直接成像法、凌星法和微引力透镜法。

• 直接成像法

顾名思义，直接成像法就是通过直接成像的方法找寻行星，我们太阳系内的八大行星正是因此得以确认，所以很多天文学家希望可以藉由直接成像法寻找系外行星。然而，直接成像法存在两大难题：一是对比度问题，二是恒星闪烁的问题。

对比度问题，简单来说，就如同在探照灯旁边寻找萤火虫一样，恒星强烈的光芒将遮盖其周围的行星，使其难以辨认。通常的解决办法是采用“星冕仪”，将恒星的光遮挡住，从而方便探看其周围的行星，如下图所示。

另一个恒星闪烁的问题，则主要是由于大气的抖动，导致恒星的光穿越大气层时发生不同程度的偏折，所以眼睛探知到的光强随时间变化，从而产生闪烁的错觉。因此，利用直接成像法探测行星性质，重中之重就是如何去掉恒星闪烁。

所幸随着科技的发展，催生了很多先进的技术，比如激光技术，就可以很好的帮助我们规避恒星闪烁问题。常规的做法是将黄色的激光打到一个距离地面90公里左右的大气的钠原子层，激发钠原子，释放出同样波长的黄光，亮度强烈，如同一颗人造的恒星。根据大气层对此人造星的光折射，可以测算出大气的湍流相位，从而去除大气抖动，就如同降噪耳机消除掉周围噪音原理一样。

正是由于解决了对比度问题和恒星闪烁问题，直接成像法目前已经探测到了106颗系外行星。

• 凌星法

金星凌日时，由于太阳光部分被金星遮挡，告知了我们金星的存在。所谓凌星法，就是利用行星对其主星的光遮挡来预测系外行星。

对于一个类似太阳的主星，由于木星大小的行星遮挡，导致的光度变化约为百分之一；由于地球大小的行星遮挡，光度变化约为万分之一。基于现有的地面和空间望远镜，探测到这些程度的光度变化，都非难事。所以，凌星法目前也是探测行星候选体的主力军。

• 微引力透镜法

微引力透镜法，是我1991年和合作者提出的一个行星探测方法。

其基本原理非常简单，基于爱因斯坦的广义相对论：假设一个背景恒星和地球之间，经过一个中间天体，由于中间天体的引力弯曲效果，背景恒星的光将发生偏折，相较于直线传播，将有更多的光汇聚到地球，所以在中间天体经过时，背景恒星变亮，中间天体驶过后，背景恒星回复到原有亮度。这一过程也称为引力透镜效应。若中间天体包含某未知行星，则称为微引力透镜效应。

其实早在1936年，爱因斯坦就提出并计算了微引力透镜的发生概率，大概为10^-6。也就是说，每100万个恒星当中，只会发生一次微引力透镜事件。基于当时的望远镜和搜寻技术能力，他本人对这一方法的应用前景并不乐观。

然而，随着计算机的飞速发展，利用微引力透镜法探测行星不仅可行而且前途光明。目前，基于微引力透镜法探测到的系外行星已经多达90多颗。根据NASA的计划，其预计2025年发射升空的空间望远镜WFIRST，将近一步带领我们拓展视野，着眼太空。未来，我们有望利用微引力透镜法探测到上千颗系外行星。

根据现有观测数据，系外行星之间，系外行星系统与太阳系之间，个体差异明显。比如，有的系外行星转速疯狂，公转周期只有6小时，相对于地球1年的公转周期，是真正的“山中岁月容易过，世上繁华已千年”；有的行星转动方向甚至与其主星背道而驰，等等不一而足。这些千差万别的系外行星样本，无疑对统一的行星形成和动力学演化理论，提出了挑战。

地外生命是否存在？

古希腊哲学家Metrodorus曾说：“认定地球是宇宙中唯一存有生命的星球，就如同断言在撒遍麦种的田野里只有一粒麦种会发芽，一样荒谬。”

正因如此，很多人坚信地外生命的存在，虽然到目前为止，我们毫无收获。

由于水是很多化学反应的催化剂，所以天文学家普遍将液态水的存在与否作为地外生命的一个重要线索。而保有液态水，需要天体处于“宜居带”，也就是说其距离其主星的距离需要刚刚好，以保证其水资源既不会气化蒸发掉也不会凝结成冰。目前，已探知的恰好处于“宜居带”的行星大概有55个，距离地球最近的一颗（4光年）隶属于比邻星。

寻找地外生命，除了找到处于宜居带的行星，还需要利用“生物标记物”的方法，确定氧分子的存在。

可是，即使我们费尽千幸万苦找到了地外生命，如何与他们沟通又是另一个严峻的问题。

首先，由于良好的准直性，激光技术也许是个不错的传递消息的手段。但光学波段却不是一个好选择，毕竟宇宙中遍布吸收可见光的尘埃，射电倒是很有可能。

其次，我们也不能用年、月、日、米这些适用于太阳系的信息去和其他地外生命进行交流。相信无论是中国的古琴还是西方的小提琴，都是“对牛弹琴”，很难进行有效的沟通。

我们真正需要的是一种宇宙范围内的统一语言， 比如数学和物理规律。迄今为止，无论是太空还是地球，数学和物理规律起码在误差范围内是完全一致的。例如氢线谱，自宇宙诞生之初，到现在，在地球上，在太空中，都完全没有区别。因此，也许未来我们可以把普世的物理规律作为与外星生命沟通的官方指定语言。

当然，即便如此，我们还将面临其它诸多挑战，比如如何向外星生命描述度量单位，例如米的概念，如何描述数字0、1等等。总而言之，寻找地外生命的前途还是光明的，道路却难免曲折。

2

暗物质简介

所谓暗物质，简而言之，就是指肉眼不可见的物质。什么是暗物质？实际上，目前没有人知道答案。但振奋人心的是，我们已经发展了多种追寻暗物质的方法。毕竟只有找到暗物质，才能更好的研究其本质。

近代暗物质的提出可以追溯到1970年左右，当时的天文学家Vera Rubin在观察银河系周围的恒星运动时，发现如果只考虑发光物质，那它们的运动速度与牛顿引力的预言并不相符，其实际运行速度高于理论值。要知道，速度越高，意味着其绕行的物质质量越大。据此，她推测恒星周围存在许多我们没看到的物质，也就是后来普遍引用的暗物质。其实在1930年左右，瑞士天文学家Zwicky就提出了类似的观点，只是没有被大多数天文学家认可。

暗物质存在后来再次通过引力透镜效应得以证实。众所周知，引力导致光线弯折，一个背景星系的光线在到达地球的途中，如果恰好遭遇某个引力巨大的天体时，将会因偏折效应大量聚集，最终围绕星系周围形成多个幻象或圆形亮环，即著名的爱因斯坦环，如下图所示。

在研究星系团的时候，天文学家们发现，爱因斯坦环的中心并非集中在某一星系上，而是落在了看似空旷的星系团中心部位，这说明主导引力的是星系团中的某些不可见物质，即为暗物质。通过计算整个星系团的质量，减去可见星系的质量，即可推算出暗物质的质量。

大量研究表明，每个星系周边都存在延展的暗物质“云”，性质有点类似于北京的雾霾。一般来讲，在银河系这样的星系，暗物质“云”的大小、质量几乎是星系可见部分的10倍左右。

此外，宇宙的大尺度结构也从侧面证实了暗物质的存在。宇宙中的星系历经上百亿年的演化，非常美丽，但却并非均匀分布，而是呈纤维状，多有“空洞”。目前计算机已经能够精准的重现宇宙演化的整个过程。在模拟中，要形成如今这些美丽的纤维结构，必须加入暗物质成分。

提到宇宙结构，就需要了解微波背景辐射。在宇宙大爆炸之初，温度极高，后又因宇宙膨胀急剧降温，大约38万年后，宇宙冷却到一定温度，光子脱耦，质子和电子结合形成中性原子，宇宙逐渐明朗，透出了第一缕光。这一缕光，代表着大爆炸之初的残留温度，直到宇宙冷却的今天，依然可以探测到，即为微波背景辐射，其辐射温度约为2.7K（-270℃）。

原本宇宙微波背景辐射分布非常均匀，任意两个方向上的差异不过十万分之一。但恰恰由于十万分之一的差距，引发了引力不稳定，宇宙才演化成如今的纤维结构。

天文学家分析了现有微波背景辐射在不同方向上的功率谱，发现其与加入暗物质预言后几乎一致。据此，推算出宇宙中各组分的含量：暗能量占68.3%，暗物质占26.8%，可见物质只占5%左右，误差只有1%-2%左右。实际上，暗物质的存在本身并不稀奇，毕竟我们很早就有关于黑洞的概念，但暗物质质量如此庞大，是所有可见物质的5倍左右，这一点，着实令人讶异。

如何寻找暗物质

关于暗物质的具体构成，众说纷纭，难有定论，但起码我们可以排除一些可能。

比如暗物质一定没有电子相互作用，也不是中微子。物理学家提出了很多模型，最流行的莫过于弱相互作用大质量粒子（WIMPs）模型，该粒子的质量和数目都非常巧合的与暗物质差不多。

为了寻找这种粒子，世界范围内的众多科学家使尽浑身解数，开发出了：对撞机法、入地法、上天法。

对撞机法指基于能量守恒，通过两个高能粒子碰撞可能产生的暗物质粒子来寻找暗物质粒子。

入地法即在深入地下的实验室中，受宇宙射线干扰小，并由此来搜寻暗物质粒子。

上天法就是指发射卫星，到大气层外去寻找暗物质的踪迹。因为一些暗物质粒子互相碰撞能产生光子和高能正负电子，而这些生成粒子会被地球大气所吸收，所以必须到大气层外去探测这些碰撞产物，从而证实暗物质粒子的存在。

截止目前为止，革命尚未成功，同志仍在努力！

3

霍金、黑洞和量子力学

• 怎么定位黑洞？

天体物理中，很多问题都存有争议，但却存有一项基本共识——黑洞是最简单的天体。

黑洞确实简单，只需要三个参量，质量、角动量和电荷就可以完整描述一个黑洞。神奇的是，黑洞存在一个“视界面”，连光子也无法逃离，就像孙悟空无法逃脱如来佛的手掌一样!

黑洞“黑”吗？如果是黑的，天文学家们又是如何发现黑洞的呢？答案很简单，通过黑洞的引力作用。黑洞引力巨大，会将其周围的气体抢夺过来，形成一个绕它自身旋转的气体盘，即吸积盘。但当吸积气体过多时，一部分气体将在掉入黑洞视界面之前，在磁场的作用下被抛射出去，沿转动方向形成喷流。吸积盘中的气体摩擦而产生了耀眼的光，聚集在X-射线波段，可以被天文学家探测到。

银河系内的恒星级黑洞大概有一亿多个，但目前天文学家发现的不超过100个，还有大量的工作需要完成。

• 黑洞有多重？

黑洞摸不着，碰不到，如何测它的质量呢？答案其实也很简单。

一般的，黑洞周围存在其他恒星，因黑洞的引力作用，恒星将绕其转动，所以我们只需要测量出恒星的运动速度，就能够推算出中心黑洞的质量。这与我们根据恒星的运动速度测太阳质量，原理是一样的。

因其巨大的引力作用，黑洞有很多神奇的性质，比如潮汐力。黑洞的潮汐力效果明显，如果一个人可以站在黑洞旁边，不仅可以减肥，还能增高，一举两得，唯一的缺点是有生命危险。另外，黑洞周围时空扭曲拉长，导致时间延迟，形象的说法就是“天上一日，地上一年”。

• 霍金与黑洞

霍金在黑洞问题上做了很多突出贡献，最享誉盛名的就是提出了“霍金辐射”。由于海森堡测不准原理，真空并非虚空，存在正反虚粒子对。但虚粒子对存在的时间极短，瞬间即逝。

黑洞边缘也可以产生这些虚粒子对，黑洞将会吸收这些粒子。如果负能量的粒子掉到了黑洞中，而正能量的粒子逃逸到远方，黑洞的能量将由此降低，对应质量也减轻，换而言之，黑洞在蒸发。

量子力学与熵

提到了黑洞，我们就不得不提到一个概念——“熵”。熵用于衡量系统的无序状态，某种意义上讲，熵就是信息，描述区别。例如，一样的硬币有正反两面，在不确定它的正反面之前，我们有一个比特（bit）的不确定性，一旦确定了它的正反面之后，我们就获得了一个比特的信息；64个黑白不同的方块，熵值可达64个比特。

三维世界里熵与体积相关，比如说房间体积越大，里面的可能性也愈多，熵也随之增加。然而，霍金发现，黑洞的熵值却与其面积紧密相关。这也引发物理学家对终极量子理论的新认识：空间的各个部分可能是相互纠缠的，而非彼此独立。

基于黑洞熵，有物理学家提出了所谓的“全息原理”：他们认为三维的世界可能是表象，二维才是实质。当然，这还只是一个猜想，需要进一步去解释和验证。

结语

我们既要脚踏实地，也要仰望天空。今天我简单介绍了天文学三个前沿领域，希望大家能有所收获。最后，我想引用康德的一句名言来结束今天的演讲：“有两种东西，我们对它们的思考越是深沉和持久，它们所唤起的惊奇和敬畏就会越来越大，直至充溢我们的心灵，那就是繁星密布的苍穹和我心中的道德定律。”