物理学家张杰谈宇宙起源：人类的观察极限已达毫秒级

两千五百年前，屈原一篇《天问》发出了中国人追寻宇宙奥妙的千年之叹：“遂古之初、谁传道之，上下未形，何由考之……”2022年7月，詹姆斯韦伯太空望远镜公布第一批宇宙照片，人类的目光到达了距离地球46亿光年的遥远距离……然而宇宙对人类来说仍然充满了无数谜团，其中排在最前列的肯定是宇宙的起源。

138亿年前的宇宙大爆炸后发生了什么？如今人类探索宇宙本源的极限在哪里？人类离揭开暗物质的秘密还有多远？11月17日，汇星楼一号报告厅座无虚席，著名物理学家、李政道研究所所长、五院院士、上海交通大学原校长张杰在深圳大学“大师面对面”讲座上，分享了关于宇宙物质起源与演化最前沿的科学发现与思考。

张杰在深圳大学“大师面对面”讲座上，分享关于宇宙物质起源与演化最前沿的科学发现与思考。  深圳大学供图

张杰，1958年出生，著名物理学家，曾任上海交通大学校长（2006年至2017年）。他是中国科学院院士、德国国家科学院院士、发展中国家科学院院士、英国皇家工程院外籍院士、美国国家科学院外籍院士。现任中国物理学会理事长，李政道研究所所长，曾任中国科学院副院长。

张杰主要从事高能量密度物理前沿研究，与科研团队研制了超短脉冲高能电子衍射与成像装置，实现了亚毫埃级的结构变化解析能力，并将超快电子衍射的时间分辨率提高到优于50飞秒，刷新了世界纪录。去年，张杰获得2021年未来科学大奖“物质科学奖”。

人类观察宇宙本源的极限已经到了毫秒级

以138亿年前的宇宙大爆炸为开端，张杰梳理了物质的起源与演化过程。如今科学界的主流观点认为，宇宙大爆炸发生在10-43秒以内，被称为普朗克时代。在10-43秒至10-35秒时宇宙进入了暴涨时代，从10-35秒至10-3秒宇宙进入了轻子时代。目前，人类对宇宙起源的认识，已经能追溯到10-3秒，也就是毫秒级别了。

“现在的宇宙是一个暗能量主导的宇宙。”张杰说到，到了大爆炸后2亿年，在暗物质的帮助下第一代恒星在黑暗时代中形成。宇宙从大爆炸开始，走过由辐射主导、物质主导到暗能量主导的不同阶段，终于在10亿年后诞生了第一代星系。

神秘的暗物质和暗能量是什么？张杰说，今天宇宙中95%的物质存在形式是高能量密度状态，黑洞、反物质和暗物质等宇宙的未知部分都是这种状态的物质。

这种物态有多极端？所谓高能量密度状态与普通物质状态的交界在1百万大气压，1百万大气压相当于将2艘 056A-轻护舰压在面积为2㎝²的拇指上的压强。如今，科学家们的研究的能量密度范围是从400万大气压到3500亿大气压，3500亿大气压压强相当于将10000艘辽宁舰压在拇指上。

我国探索早期宇宙站在世界最前沿

1054年，北宋天文学家杨惟德观察到金牛座蟹状星云SN1054，是人类第一次观测到超新星爆发。2022年7月，詹姆斯韦伯太空望远镜公布第一批照片位于飞鱼座的星系团SMACS 0723，已经距离地球46亿光年。

张杰介绍，从杨惟德肉眼观察到韦伯太空望远镜，在人类探索早期宇宙本源的过程中，我国做出了重要贡献，以李政道研究所科学家为代表的中国科学家已经站在了世界的最前沿。

李政道研究所的景益鹏团队获得了最大的星系弱引力透镜样本（3亿）、最大的星系群样本（9700万）、最精确的银河系暗物质分布与质量测量。如今，人类已经可以知道暗物质和暗能量在宇宙的演化中起到了重要作用，在宇宙里，重子物质只占5%，暗物质占23%，暗能量占72%，虽然我们尚不知道它们的本质。

季向东、刘江来团队在四川锦屏深地实验室先后建成三代PandaX液氙实验，高灵敏度搜寻暗物质，多次获得探测灵敏度国际领先的结果。这个实验室建在地下2400米深处，研究人员在里面度过了无数个日日夜夜，他们甚至连见太阳的时间都屈指可数。

传统上人类利用电磁波进行天文观测，后来中微子和引力波提供了新的观测手段，于是多种观测手段联合观测构成了多信使天文学。在这一领域，徐东莲团队正在实施“海铃计划”，建设中国南海深海中微子望远镜，通过捕捉高能天体中微子来探索极端宇宙。2021年9月消息，海试团队成功在预定海域布放数套自研实验仪器并采集到珍贵数据，这些数据验证了预选海域作为中微子望远镜候选台址的可行性。

传统上天文学为观测科学，而非实验科学，科学家们利用高能量密度激光实现了天文学从观测走向实验。张杰领衔的团队利用强激光，成功模拟了太阳耀斑中的磁重联喷流及环顶X射线源、黑洞周边的光电离、超新星遗迹无碰撞冲击波等天体或天文现象，并进行了深入研究。

“宇宙中95%的物质存在形式是高能量密度状态，对高能量密度物理过程的探索将为人类了解更加广阔的宇宙打开一扇大门，更加丰富多彩的未来世界已然出现在我们眼前。”张杰如是说。