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《人类的起源》

《人类的起源》

  {吴新智简介,中国科学院院士,中国解剖学会名誉理事长。

  1928年生,安徽合肥人。1953年上海医学院医本科毕业。1961年中国科学院研究生毕业。此后至今历任中国科学院古脊椎动物与古人类研究所助理研究员、副研究员、研究员、博士生导师、副所长。1984年与外国同行联名提出多地区进化假说,为当今关于现代人起源争论的两大学说之一。

  1990年被评为中国科学院优秀研究生导师。已发表古人类学论著90余件。1991年获中国科学院自然科学一等奖。1999年获郭沫若中国历史学奖二等奖。}

  今天跟大家讲一下《人类的起源》,讲到人类起源,大家最关心的是什么问题呢?可能一个是最早的人什么时候在地球上出现,哪位同学能够给一个答案吗?随便说说没关系的。

  学生答:我觉得应该是大概三、四百万年之间,最早在非洲就出现的。

  专家:三百万年,在非洲,还有呢?

  学生答:我觉得应该是元谋人,中国的元谋人,时间不太记得了。

  专家:还有一个元谋人,

  学生答:大约是在四百万年以前吧,地点应该也是在非洲。

  专家:四百万年,又多一百万年。好的。到底是多少万年,实际上刚才几位同学都有一定的道理,那就是看在什么时候说这个话了,在今天说呢,好像都不太对,因为关于这个问题,我们的认识有一个过程,所以我就从头说起。

  在上个世纪前半叶,那个时候最早的人是什么样的人呢?是爪哇猿人,还有北京猿人,所以在当时,北京猿人的年代是根据伴随他的动物化石来定的,大家是生物系的同学都知道,生物是进化的,一个时期跟另一个时期的生物不太一样,在形态上不一样,所以根据生物形态变化,可以造出来一个时间表,就知道在什么时期,比如说五十万年前,这个动物是什么样,有哪些动物在世界上,一百万年以前又是怎么样的。和北京猿人在一起的动物化石,当时定的是五十万年,所以北京猿人就是五十万年以前,所以那个时候人类的历史记录也就只有五十万年。在此以前,那就更短了,就是说在19世纪的时候,最早的人化石是欧洲的尼安德特人,尼安德特人最早的年代不超过十万年,所以就说人类的历史记录最早就是十万年。

  所以出了北京猿人以后,人类历史记录大概就是五十万年,所以北京猿人那时候是最早的人了,这样的宝座,他坐了二十几年。从20世纪20年代末,一直到1959年,在非洲坦桑尼亚,发现了一个人的头骨,就是这位老太太,她叫做玛利·利基,她夫妇俩在坦桑尼亚的荒野山谷里头寻找人的化石,寻找了二十多年,将近三十年,到1959年就发现了一个比较重要的头骨了,就是中间的这个,这是她夫妇俩跟这个头骨一起,还发现一些石器。大家知道石器是人制造的,天然没有的,就是石头的工具,这个石器跟这个头骨所在的地层,用放射性同位素钾、氩的方法来测定是距今175万年,因此这就把人类的历史记录就延长了175万年,这是1959年,所以当年被选为世界十大新闻之一。在20世纪60年代,有个英国的一个女孩子,中学毕业生,叫做珍妮·古道尔,前改甑奖本├垂衷诟愣锉;ぃ笔焙苡兄居谘芯抗湃死啵搅朔侵蓿颓敫詹拍俏幌壬褪锹芬姿埂だ仪手妥〉矫芰值敝校鄄旌谛尚傻纳睿鄄旌艹な奔洌峁⑾郑谛尚赡芄恢圃旃ぞ撸梢园巡莨鞯闹﹁靖サ簦サ粢院笥媚歉霾莨鞑宓铰煲衔牙锿罚蛭侵薜穆煲虾艽螅奈丫拖穹匾谎晕颐墙幸馅#宓侥歉鲆馅@锿啡グ颜饴煲系錾侠闯裕褪撬的芄桓谋渥匀唤缥锾宓男巫矗约核茫饩褪侵圃旃ぞ叩目肌R虼怂⑾至苏庋恢种圃旃ぞ撸庵值姆⑾钟惺裁匆庖迥兀空庖庖寰秃艽罅耍诖酥埃赜谌说亩ㄒ迨鞘裁茨兀渴悄芄恢圃旃ぞ叩亩铮苑⑾至俗钤绲墓ぞ撸詹沤驳?75万年的工具,那么就可以知道,这时候有人了。在1891年发现了爪哇猿人,但是一直有争论,争论很长时间,好几十年,定不下来他是人是猿,什么原因?就是因为没有工具跟他一起发现,他的脑子介于现代人跟现代猿之间大小,所以定不下来。所以在那个时候1959年,根据那样的人的定义,人的历史就到了175万年,因为最早的工具是175万年。那么现在珍妮·古道尔发现了黑猩猩也能制造工具,就是说用制造工具来作为人跟猿分界的历史标志就行不通了,就不合适了,所以人们就得讨论,是不是用另外一个标志区分人跟猿,大家知道古猿变成人,但是变到什么状态下就是人呢?没有到这个状态就不是人,这个标志就比较难定。

  那么这时候人们就回想到,在古希腊的时候,有一个柏拉图,他当时曾经给人下个定义,他说人是什么呢?是两个脚行走的,没有毛的这种动物。有一天,他的学生就把一个鹅拔了毛拿来,就问老师,这是人吗?当然不是人了,所以后来在书上就叫做柏拉图的鹅,说人是柏拉图的鹅。因此这个定义就被废弃了,就没有人采用了,那么到现在珍妮·古道尔发现了黑猩猩也能制造工具,而人作为制造工具的动物的,这个定义也不能用了,那人们就回想到那个时候柏拉图的定义,有没有可用的地方,就觉得还是有些道理,那么再修改一下,就是两个脚行走。另外身体要直的,就是两个脚直立行走,这样才算是人,只要是能达到这样就算是人了,于是大家都同意采用这样一个标志,这个标志一采用还有个好处。就是在当初那个时候,用石器作为人跟猿分界标志的时候,那毕竟是身外之物,你不可能发现一个人化石手里头抓一个石器,不可能的,是吧,它是身外之物,现在用人本身的身体结构,来定义人跟猿的界线,这样也更好一点,所以这样人的定义一改,把人的历史记录又延长了,就延长到三百多万年,因为在此之前呢,在南非已经发现了一些叫做南方古猿的化石,但是他不能够制造工具,就是说没有发现工具跟他在一起,而他的年代达到二百万年。后来到了20世纪70年代,在埃塞俄比亚,又发现了一些也是南方古猿的化石,三百多万年以前的,也是根据放射性同位素钾、氩法来定的,当时给他起的名字叫做南方古猿阿法种。因为在阿法那个地方发现的,后来挖着挖着就挖出一个比较完整的骨架,就是现在大家看到的这个,占全身的身体骨骼的40%,发现的那一天,他们晚上在营地就庆祝了,因为是三百万年前那么完整的骨架,大家联欢,联欢就放唱片,就叫做《露西在钻石的天空》,所以这样以后,他们干脆就叫这个骨架叫露西。所以我讲露西,可能有些同学就知道了。就是指的这个东西,所以露西的发现呢,就使得人类的历史记录延长到了三百多万年。

  那么也在二十世纪七十年代,就刚才讲的那个玛利·利基发现东非人的那位老太太,在二十世纪七十年代,她的丈夫已经去世了,她一个人带了一个英国的中学毕业生,在坦桑尼亚的另外一个地方发现了这些脚印,从脚印的研究可以知道,他是两个脚直立行走的,而且每一步之间的幅度也可以量出来,可以算出来,你看这个脚印的大小,跟现代人的脚比较还是比较小的,所以在那个时候的人,比现在的人矮小,这是个复原图,是想像的 ,是两个人在走路,在火山灰上踩出来的脚印,以后再堆上新的堆积,所以这个岩性不一样,成了化石以后,就能剔出来,那么在这个时候人类历史有三百多万年,所以刚才那位同学讲的,三百多万年,在二十世纪七十年代,这个答案是对的。

  那么到二十世纪90年代,到1994年在埃塞俄比亚,一组美国科学家,他们又发现一些化石,四百四十万年前的,这就是那个南方古猿始祖种了,这是四百四十万年,所以刚才有个同学讲,四百多万年,在这个时候就对了,这是1994年,所以把人类历史延长到四百多万年。到2000年,千禧年了,法国科学家在非洲也发现了一些化石,报纸上登的叫千禧人,化石有大腿骨,从大腿骨上可以研究出来,他能够两条腿直立行走的,当时叫做千禧人,以后经过研究给了个正式名称,属名叫做原初人,他的种名,按照他发现的地方,叫土根山,所以我们翻译叫土根种,就是原初人土根种,后来接着又发现了新的化石,就是去年报纸上给他名字叫做乍得撒海尔人,都是大概六百万年,或者六 七百万年前,所以到现在为止,人类的历史记录达到六 七百万年以前,但是这是讲两条腿直立行走的这样的人。那么至于制造工具呢?最早的工具到现在为止只有250万年,没有更早的了。这样看的话这所有化石都是在非洲,所以刚才同学讲人类起源地在非洲,现在一般的认识都是这样,但是是不是就肯定在非洲呢?恐怕还不能做最后的论断,为什么呢?因为从历史上可以看出来,就是哪里发现最早的化石,人们就倾向于认为人类起源地在什么地方,当初在1891年在爪哇发现的爪哇猿人,1921年发现了北京猿人,1929年发现了北京猿人第一个头盖骨,所以这个时候,人们都倾向于人类的摇篮是在亚洲,而在二十世纪二十年代,当时人类学理论认为人类起源是因为喜马拉雅山的隆起使得印度洋湿润的海风吹不到山以北的地方,所以喜马拉雅山北的地区就变得干旱,这个时候在那个地方森林就越来越稀,那么原来在森林里生活的古猿,古代的猿类就不得不下了地,下到了地面上这样就变成人了,当时理论是这样的,因此北京猿人的发现,更证实了这样一种理论,所以当时大家相当多的都相信人类起源是在亚洲。

  刚才讲到了1959年非洲发现了东非人,有170多万年以前的化石,这个时候风向就转到了非洲,但是毕竟在中国的西南部特别是云南,当人类起源的时间,也就是说在中新世的时候,它的气候环境条件适于古猿变人,适于人类的产生,因此现在还不能够完全排除在云南找到人类祖先的可能性,所以还是值得去找的,但没有找到以前,只是可能性存在,但是我们不能说这可能性就代表说人类起源在亚洲,所以目前我们还是说在非洲。所以关于人类起源的地方,这几年随着化石的发现,认识也是逐渐在变化的。

  好,下面就给大家介绍一下人类演化的几个阶段,最早的就是乍得人、原初人,接下来就是南方古猿跟地猿,这是四百四十万年前开始,目前只发现于非洲,南方古猿一直延续到一百四十万年以前,以后才没有了,但是在两百多万年前的时候,在南方古猿当中又出现了一种新的物种,那就是能人,这个能人化石发现越来越多呢,就有人主张他分成两个部分,分成两个物种,一个就叫能人,一个就叫做鲁道夫人,那么再接下来呢,到180万年前开始,又出现一种新的物种,叫做直立人,直立人他延续到二十多万年前,也就大约在这个时候地球上出现另外一种人,叫做智人,智人一直延续到我们现在,我们本身都是智人,因为智人,他文化上更复杂了,从他的体质形态,从他的文化上就分得更细一点,虽然年代只有二十多万年,但又分两段,一段叫早期智人,一段叫晚期智人。

  那么刚才讲的,人类演化的第一个阶段,就是包括乍得人、原初人,还有地猿,还有南方古猿,南方古猿一共有好多个种,到现在为止的,七个种,是不是上面每一个种他将来都变成我们呢?不是的。可能只有其中的一种,甚至于这几种里头的都不是,我们的直系祖先到现在还没有发现,有可能的。 那么这个现象就说明什么呢?就是说人类的进化过程当中,它的模式是树丛状的。在此之前,人们发现一个化石,说是十万年前,以后又发现了五十万年前的北京猿人,于是说这个五十万年前的人变成十万年前的人,变成了现在的人,以后再发现一个四十万年前的,五十万年前这个人变成四十万年前的人,再变成二十万年前的人,再变成现在的人,就是说一条线呈阶梯状,一步一步往上升,所以这种模式叫做阶梯状的模式,所以在早期对人类的进化认识是这样的,是阶梯状的,由简单到复杂。那么发现了这么多种南方古猿以后,人们就改变了认识,就认识到,人类进化过程当中,不是阶梯状,而是树丛状,它分很多个枝,这些枝在不同的时间走向绝灭,没有后代,而其中只有一枝独秀,以后才变成我们这样的,是不是这些枝里头互相的融合,在理论上讲不会的,为什么呢?因为他们是不同的种,大家知道,不同的种不能交配,产生有生殖能力的后代,所以他们不会交配的。所以对人类演化的认识,由阶梯状变成树丛状。

  这里就给看一些标本,这都是南方古猿的标本,这也是南方古猿的,刚才那种南方古猿,你看头比较圆一点,现在这两个猿人脑袋上头有一条脊,这个脊就表示咀嚼肌特别大,咀嚼肌的地方不够了,长到头顶上去了,像大猩猩的,这一类就叫做粗壮类型,刚才那一类就是叫做纤巧类型,一般认为,可能我们人类的祖先是在纤巧类型里头,而粗壮类型都是绝灭了。 这个图是想像的,当时南方古猿生活的图。这个是能人的头骨,你看脑袋就比较大一些,更接近于我们现代的人了,所以根据现有化石,人类最可能起源于非洲,古猿在非洲,可能在东非,长期的直立行走开阔了视野,使用工具,大脑越来越发达了,于是转变成人,到距今大约250万年前,人类开始制造最简陋的工具,这个与人类发展的第二阶段“能人阶段”的开始大约是同时了。

  现在讲到第三阶段,第三阶段就是直立人,直立人在东南亚有爪哇的直立人,中国有很多地方,比如说周口店,刚才那位同学讲的云南的元谋人。他就是直立人,时间是大概在170万年前,这是现在我们中国发现的,最早直立人的化石,比元谋人晚一些的直立人,中国有陕西蓝田的公主岭那个头骨,湖北郧县有两个头骨,安徽的和县和南京的汤山,以后陆续都发现了直立人的化石,当然最重要的直立人的地点,那就是北京的周口店,发现了有代表四十个人的身体的骨头,石器也号称有十万件,这是现在世界上,在这样阶段的人类材料当中最丰富的一个地点。

  这个是非洲直立人骨架子,这是一百六十万年前,一百六十万年前有这么完整的骨架可真不容易,有了这个骨架子,就可以量出他的身长了,量的结果他大概有一米六这么长,这个骨架是个小孩子,因为根据他的骨头可以鉴定出他的年龄,这个小孩子也就十岁左右,所以如果这个孩子长大,他至少能达到一米八,所以在一百六十万年前,就有身高一米八的这么一个人。刚才我也讲到,我们看到一个脚印就很小,就是说那个时候的人,三百多万年前,人是比现在矮得多的,就是一米多,所以从那个时候到一百六十万年前,人的身材是不断地长高,从一百六十万年到现在,现在看来人的身材基本上没有很大的变化,上上下下而已。所以有的人曾经根据古代的战袍,大家看博物馆古代的战袍很高大,就以为是过去的人非常非常高,现在的人变矮了,有的人讲早期的南方古猿,三百万年前的人很矮,所以说人是慢慢地越来越高了,所以两种说法都不太全面,全面地讲,就是在两百万年再早,人类在逐渐变高,从一百多万年以前到现在,人的身材随着环境条件各方面,稍稍有所变化。

  这是简单地介绍一下我们中国的化石,这是我们中国的直立人,刚才看到的是非洲的直立人,这是元谋人的两颗牙齿,这四颗是因为两面,不同的面。这是蓝田猿人的头盖骨,这是零碎的化石,但是可以把他拼凑起来。这是北京猿人,这是一个复原的像,北京猿人的化石,大家知道是在解放以前,就在1941年珍珠港事件的时候就丢失了。所以这些年来一直在寻找,有些线索一出现,再一追最后又不行了,一直是悬念。但是解放以后,我们在周口店又发现一些化石,都很少,这五颗牙,解放初期发现的,这两段骨头,是肢骨,一段是胳膊,一段是小腿,这也是在解放初期发现的。后来在1959年又发现了一个下颌骨,在1966年又发现了两块头骨,这样也可以拼凑成一个头盖骨,1966年还发现一个牙齿,所有这些都是现在在国内仅存的北京猿人的化石,其他的到现在为止一直在寻找,但还是没寻找到,此外在瑞典还有三颗牙齿,那是在二十世纪二十年代在北京发掘的时候,当时运到瑞典去修理,所以后来存在那里的,一直到现在没有追回来,这就是世界上仅存的北京猿人的化石。

  好,那么直立人以后呢,我们现在就介绍早期智人。早期智人在中国也叫做古老型智人,这个好多地方都发现了,像陕西大荔、辽宁的金牛山这些地方都有头骨的,在印度也有,也是头骨,欧洲主要是尼安德特人,这是中国的早期智人,这是陕西大荔的头骨,比较完整的。这是在辽宁营口发现的,这个也是比较完整的头骨都是早期智人,都是二十多万年前的。

  那么人类进化到最后一个阶段,就是晚期智人,我们本身就是晚期智人的一部分,这个时候人类的本事更大了,所以他的分布范围更广了,不只是在欧洲、亚洲跟非洲了,分布到大洋洲,分布到美洲,还有很多的岛屿。 在人类进化的同时,人类的工具也在进化,最早的人类工具很简单,就是一块石头,打另外一块石头,打出来有边缘,很锐利,可以用,后者有边缘很尖,这样可以挖东西,就行了,就用了,所以这种打制的技术叫做第一模式。以后到170万年前出现了第二模式,第二模式这个石器就比较规矩了,做得很规矩,按照一定的规矩做成很规矩的形状。到二十万年前,在非洲又出现了第三模式,你看这个做得更规矩了,从专业上讲,就是打的方法它有一套规程,非常讲究了,这叫第三模式。以后到了三万五千万年前,除了石器以外,人们还会用骨头做很精致的骨器,包括鱼叉,有倒钩的叉,可以叉鱼的,可以把这个骨头磨成针,就可以缝衣服的,还会画画,画壁画,还会雕塑,这个叫做第四模式。

  在人类进化过程当中,我们可以看到这个脑子是越来越大,右边是黑猩猩大猩猩的脑子,左边是三四百万年前的人类的脑子,所以这个大小差不多,比黑猩猩高明不了多少,以后逐渐地发达越来越大,因为人类的进化过程当中,脑子越来越大,人的聪明程度是越来越聪明。所以这样人们就容易想到,脑子的进化跟聪明才智的增长是成正比例的,这个也是不无道理的。

  最后有一点时间介绍一下现代人起源的学说。就是说我们是现代人,像我们现在这样的人到底是从哪里来的,这也是最近这几年媒体上表现的争论很红火的一个课题了, 一种是说出自非洲,就是说在大约二十万年以前,在非洲就出现了像我们现在这样长相的人,这种人大概在十万年以前,他的后代就走出非洲,到欧洲、到亚洲,以后大概到六万年以前到中国,就把中国以前的比六万年更早的那些人的后代都取代了,那些后代都没有后代,都绝种了。所以我们就是六万年前由非洲来的移民的后代,这是这种学说,出自非洲。你看这就是出自非洲了,就是说从非洲出来以后,他到各个地方,那些地方原来都有化石人,比如我们北京猿人也是其中的,刚才讲的大荔人也是其中的,但是这些人的后代呢,后来都绝灭了,被从非洲来的这些人取代了,这是这样的一个模式。另外还有一种模式就是多地区进化,就是我们的祖先最先是从非洲来的,比如说以中国为例,一百多万年以前从非洲来一批人到中国,这些人繁衍产生后代,这些人的后代,后来一直生长就成北京猿人,大荔人,一直到我们现在,当然了,在欧洲也是,它有一条进化线,在东南亚也有,在非洲也有,但是这几条进化线之间互相有交叉,就是说有基因的交流,越早期越少,越到晚期越频繁,这是这一种学说。我们中国的古人类学工作者,包括我自己,比较相信后者,这个学说的证据,就是我们中国发现的很多化石,这些化石里头有门牙,就是上门牙,这个上门牙都是呈铲形的,什么叫铲形的,你看这个门牙从后面看,牙齿的两边鼓出来,中间凹进去像煤球铲子一样,而这种铲形的门齿,到我们现在中国人,现在黄种人还有80%的都是这样,而现在欧洲的人只有不到5%是这样的铲形门齿,在非洲的黑人里头大概有10%左右,澳洲土人就百分之二十几,而欧洲的化石人也有铲形门齿,但是出现的频率比在中国就少得多了,中国不一定说是百分之百吧,至少到现在没有发现一例不是的,是这样的。那么同样的门齿一直延续下来那么多年,那就是证明了在中国的人类进化是延续下来的。

  另外就是说中国的化石人头骨,在比一万年更早的人,我们发现了好多个头骨,这些头骨都有一系列共同的特征,一个是脸面是扁的,一个是鼻子是比较塌的,眼眶基本上是长方形的,如果说中间换了人种的话,那么有些特点就应该变了,但是这些特色不变,所以可能是连续进化的,在连续进化的同时,我们还注意到,有少数的头骨,有少数的特征跟中国的大多数头骨不一样,这里头就可以看到,这个南京一号他的鼻梁特别高,你看下头这个大荔鼻梁就比较低,那就是说中国有少数化石头骨鼻梁是高的,所以这个就说明什么呢,这些性状它是由基因决定的,像马坝这个圆眼眶,肯定是决定他的眼眶的基因跟中国其他的大多数人不一样,而跟欧洲的一样的,所以这个基因很可能就是从欧洲过来的,从西方过来的,所以刚才那个翘鼻子也是这样的,就是说在中国的人类进化当中,有少量的从外来的基因反映进来的,所以这样就形成一个假说了,那就是说中国的人类进化,它主要的是连续的进化,附带的跟其他地区有杂交,就是连续进化附带杂交这么一个假说,当然这是个假说了,根据现有的材料有这种归纳,那么将来随着新的化石发现,可以加强,可以丰富,甚至可以推翻,那么这种假说有古文化的证据,刚才给大家看了一下,在世界范围里头,石器的发展是由模式一、模式二、模式三、模式四这么过来的,这是在非洲,在欧洲也是这样。而在中国不是这样,中国很长时间一直是模式一,模式三,模式二很少,很个别的地方有这种模式,中国到现在差不多接近一千个地方发现了旧石器,但是绝大部分九百多个地方都是模式一的,而模式三、模式二很少很少,所以看来中国的古文化的发展也是连续为主,跟西方的交流为辅。那么刚才开头讲的另外一个假说,就是说夏娃假说,出自非洲的,它主要根据是什么呢,主要根据1987年有三个科学家,他们把人类的胎盘中的mtDNA提取出来,结果发现,非洲人的DNA变异特别大,而亚洲、欧洲的变异都很小,变异怎么会产生的,就是因为在遗传过程当中产生突变,遗传过程时间经过越长,突变积累的就越多,变异越多,所以非洲变异多意味着它的历史比较长,而亚洲、欧洲呢,历史比较短,因此认为现代人最早出现在非洲,逐渐走出非洲,而什么时间现代人在非洲出现呢,根据变异的速度,突变产生的速率,多少万年产生一个突变,这样的计算,计算出二十万年。

  这是一个模式图,就是说现代人从非洲走向这些地方,所以如果说这样一种模式是对的话,那么你们可以看到,走出非洲的要道就是现在近东这个地方,就是以色列这个地方,在以色列这个地区已经发现一些石器,这些石器是十万年前的,而这些石器是第三模式的石器,如果说进化真是这样的话,那么这些掌握了第三模式技术的人的后代,六万年前到中国,取代了中国原来利用第一模式的那些人的后代,也就是说在五万年前,四万年前中国的旧石器应该是普遍变成第三模式,甚至于更进一步,而不再是第一模式了,因为第三模式比第一模式进步, 但是实际上情况不是这样的,刚才讲中国真正到第五模式、到第四模式很晚,三万年,两万年前才出现,所以从这方面来看,现代人出自非洲的学说看样子跟中国石器的发现材料也不符合的,前几年又做了许多工作结果也是有各种不同的解释,由于时间关系我就不细讲了。

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《宇宙将走向哪里去》

  {李 竞简介,中科院国家天文台研究员,曾任中国天文学会理事;是北京大学、北京师范大学、中科院研究生院的兼任教授。主要从事恒星物理、银河系天文和天文史的研究。}

  2003年12月下旬,美国的著名期刊《科学》science,根据它的惯例要评出当年的十大科学进展,而这十大科学进展,它还有一定的顺序,就是把认为最重要的搁在第一位,这个第一位,就是2003年的十大科学进展的第一位是什么呢?就是确认我们的宇宙中有暗能量。暗能量现在这么称呼了,这个是不是国家规范的名词呢,我不敢说,它就是dark energy。什么是dark energy呢?现在还搞不清,只知道它是一个斥力性质的物理量。到了2004年1月份,我国公布了中国科学院和中国工程院两院院士评出来的十大科学进展,也有这一项,就是暗能量的发现。那么我今天就要讲讲暗能量是怎么回事。

  我们都知道,不管你学过矛盾论没学过,都知道一个科学常识,有正的、有负的、有阴的、有阳的、有正电就有负电,偶极磁场是有南极和北极,负电子带的负电,正子带的正电,可惟独在宇宙中只有引力没有斥力,只有万有引力,你们学过物理的,听说过万有斥力吗?为什么?或者说不为什么,宇宙就是这样子。是不是没有和引力相反的作用力呢。一直到20世纪末都没有发现,也没有通过天体观察聪韵殖隼从泻鸵ο喾吹淖饔昧ΑR虼嗽?003年确认了宇宙中充斥着与引力相反的斥力性质,在近处看不见,也摸不着的这样的一个物理量的存在就变成了重大的事情。它怎么重大呢?由于有了它的存在,它是和引力正相反的一个作用力,而我们的宇宙在20世纪已经确认了它是在膨胀中。膨胀的来源,我们今天要讲,是来源于一个偶然的事件,也许是必然的事件,就是一次大爆炸。这个大爆炸的力量是斥力量,与引力正相反的。而现在发现了在加速,就是不仅有大爆炸往外的膨胀力量,还有一个力量使它加速,加速的结果,就意味着我们这宇宙的命运就是越来越膨胀,收不住。看来现在的结论,就是我们现在的年龄是137亿年。根据现有的观测资料,大概再过300亿年,还保持着加速,是不是再往后,又如何呢?还得进一步地去观察,进一步地研究。这些已经有计划了,已经排在日程上了,也很可能要继续膨胀下去,加速膨胀下去。大概在1000亿年,到那个时候,我们的宇宙已经虚无缥缈,四大皆空,因为所有的能量都用完了,发光天体再也不会发光了,物质还存在着,但是辐射能已经没有了。这个描述得好像太可怕了,不过这还早着呢。所以这点完全不必太操心。

  在讲今天的话题之前,我愿意告诉大家,在20世纪有人做过一些公开的,在科技界圈子内做过一些民意测验,这民意测验是什么呢?问对天文感兴趣的一些科学家,叫你评一评,你认为20世纪天文中最重大的进展是什么,只许选一项,不要一,二,三。还有你认为,20世纪最重要的天文学家是谁?只选一人,百分之百的票,投中了最伟大的天文学家是哈勃,没有选其他人的。最重大的天文学成就一项,就是我们的宇宙是动态的宇宙,是演化的宇宙。为什么这样子?我们看一看,在此之前我们怎么认识的。直到20世纪初,运用牛顿力学考察大尺度空间,得到的结论都是,我们的宇宙无论是时间还是空间都是永恒的,无穷无尽的,无始无终的,没有起源,没有开端,也没有终了。而这个是科学结论,是你根据天文的实测,你对周围的事物研究所得到的参数,然后用牛顿力学分析得到的结论。这个结论不仅是广大的公众普遍接受,科学界也普遍接受。恩格斯就把它写进了自然辩证法。因此认为我们的宇宙是无始无终,无穷无尽的,几乎是天经地义。

  有一个天文学家叫斯里弗,他就用手边的一个不错的望远镜,还有一个威力相当强大的光谱仪,他来考察那些不是星的星云状的天体,拍照出它的光谱,希望测量出来它的空间运动。他经过了近十年的努力,成功地取得了46个星云的光谱,这真是不容易的创举。然后他就在实验室分析了光谱谱线的位移,然后把位移的量换算成为运动速度,他得到的结果不仅使他大吃一惊,也使干这行的天文学家都充满了问号,满头是问号。因为他得到的结果可不是大家熟悉的那个二、三十公里/秒,三、四十公里/秒,而得到最少的也是400公里/秒,500公里/秒,600公里/秒,上千公里/秒。一个天体和地球做相对运动,400公里/秒,500公里/秒,上千公里/秒,这根本不可理解。他发表了文章之后,首先很多人认为,干脆你是外行,你测得不对。所以斯里弗最早的一些文章是受到大家的讥笑。别人测出来的恒星运动速度都是几十公里/秒,你一测出来几百公里/秒、上千公里/秒,显然是一个荒唐的事儿。但是随着他发表了更多的后续文章,看来这个趋势是没有例外的,而且是一个什么现象呢?是越暗的星云,它的运动速度越大,这是一个。第二个现象更出乎意料的,就是所有的这些星云的谱线的位移统统是往红端位移,只有两个例外的是往紫端位移的。那么就是说所有这些星云,如果认为反映的是多普勒效应的话,那都是四向远离我们而去,这就是二十世纪头十年斯里弗开场性的观察所发现结果。

  1929年一个美国天文学家叫哈勃,他就用了大型望远镜来估算斯里弗测量出谱线红移的46个星云的距离,这个很难做,因为距离太远了,都用的是间接方法,这就是哈勃的本事了。他用人家量出来的运动速度,用他自己估算出来的这些星云的距离,用这两个参数,一个是星云的距离,这是重要的距离,一个是这些星云离我们远去的运动速度,它用这两组数据,这两个参数来得到了这样一个关系式,横坐标是哈勃估算出来的距离,他得到了一个离我们越远的星云退行的速度越大的结果,它们呈线性关系,这个就被称之为哈勃定律。刚才看的是哈勃自己做出来的线性关系,自从他1929年确认了这个线性关系之后,哈勃一直到死,主要就做一件事情,继续延长这条线,看一看是否还是线性,如果偏离了线性,那就有两种可能,如果往下弯,表明膨胀的速度减慢,如果是往上弯,表明速度加快。哈勃从1929年跟他的同事继续延长这条线,一直到他去世,这条线还是线性的。他的学生继续延长它,一直到50亿光年这样的范围之内,这条线还是直线,就表明我们宇宙的膨胀是速度均匀的膨胀。

  1927年比利时的一个天文学家勒梅特,他写一篇博士论文。他也是独立地去用广义相对论考察宇宙。这个人得到了一个不仅是动态的宇宙,而且在现阶段,我们的宇宙在膨胀,非常明确。

  又过了将近二十年,到了1946年,美国一个天体物理学家叫伽莫夫,他做了一件事情,他提出来的宇宙起源的大爆炸学说非常有创造性。他在研究我们的宇宙为什么会四向膨胀,四向膨胀是观察到的,所有的星系都是四向膨胀。为什么会膨胀?他把两件事情结合起来。一件事情是现在我们观察到的,我们的宇宙在膨胀,所有的星系都在四向膨胀。在天文中还有一个谜没有解,这个谜是什么呢?就是关于元素的丰度,这是怎么回事呢?天文学家都知道,在宇宙中元素的分布普遍性的是什么呢?如果用粒子数来说,90%是氢,10%是氦,其他所有的元素都不足1%。如果用质量来说,75%是氢,25%是氦,其他的所有不足1%。为什么这样子?不知道。如果用恒星演化来说,不行。恒星演化,譬如拿我们太阳来说,我们的太阳就是内部氢聚变成为氦,然后在聚变中,氦又变成了更重的元素。而我们宇宙的年龄是有限的,在已知的这个年龄中产出不了那么多的氦,所以宇宙中的氦还有另外的起源,就是应该说宇宙一诞生,就有粒子数的10%是氦,或者质量上25%是氦,为什么会这样?不知道。所以伽莫夫是把这两件事情搁在一起,来解这个课题。他认为要想出现原始的丰度,按照粒子数来说90%是氢,10%是氦,那么最开始是应该在非常高的密度,非常大的质量,空间占得非常小,温度非常之高作为一个起点,在那个起点突然间一爆炸,这个爆炸的力量就是我们看到的星系四向膨胀。而在那一瞬间,宇宙中诞生的就是90%是氢,10%是氦,他做了这么一个理论计算。

  这个学说发表之后,引起了一片哗然。其中有一个大天文学家,这个大天文学家在2001年才去世,是英国的一个大天文学家叫霍伊尔。霍伊尔坚决反对大爆炸学说。他在这边听到了大洋彼岸有一个所谓的αβγ学说之后,他就说了,我们的宇宙难道说就是这样“乒、乓”就炸出来的。他说这不简直是“Big Bang”吗,他完全是讽刺的,贬义的。什么αβγ学说?说“Big Bang”是胡说八道,结果在BBC广播电台中,一通冷嘲热讽之后,那边的伽莫夫听见了,伽莫夫说“Big Bang”不错嘛,名字不错嘛,就叫它吧。结果一个贬义的,讽刺的,一个讥笑的、谩骂语言,最后变成了这个学说正式的名字,一直沿用到今天。

  这个αβγ学说发表之后,又过了一年多将近两年,这时候伽莫夫又干别的事去了。他的学生和助手阿尔法还想继续干下去,就又找了一个当时找不着课题的博士后,这个人叫赫尔曼,这俩年轻小伙子现在可能都健在,他们两个人继续干,就把伽莫夫的学说,就是αβγ学说继续往下延伸,他们延伸之后就得到了一个重要结论,这个重要结论是一个预言。他说当年的一个极高的温度,极大的密度,非常大的压力作为起点,这个高温、高压的火球,在大爆炸之后,到今天余烬还有一定的热度。根据他们算出来的是5K。后来随着科学的进展,把运算中的参数改一改,更近代化一些。比如说电子的质量,参数改成更新的,更确切的数据之后,这个5K就变成了3K。他们两个人说,这个当年的那一锅热汤到了今天充斥在宇宙中,还剩下3K的余温。这3K的余温应该是各向同性,在哪儿都充斥着3K的余温,再往后还将变成了2K,1K,最后寂静下来。但是今天是3K,就是-270℃。这就是1948年伽莫夫的两个学生在继续他老师的工作得到的一个重要的预言,这个预言在当时是无法验证的。

  大家都知道,天文学家可以做出许许多多美妙的预言,美妙的理论。但是要想把这些美妙的学说变成了科学结论必须得到天文验证。那么对于阿尔法和赫尔曼的预言,天文学家并不兴高采烈,因为3K,当时的技术是无法测量的。但是到了1965年,两个贝尔实验室的无线电工程师,彭齐亚斯和威尔逊,他们做了一个非常精密的辐射探测器,他们做一个什么题目呢?做一个就是当时在20世纪60年代的时候,美国已经发射了一些空间探测器,就是如何使这些探测器飞到很远的地方,还能跟地面取得很好的通讯联系。他们两个人在研究,如何使这个仪器接收遥远的微弱信号,还能把数据记录下来。他们两个就做这个题目。结果他们探测来,探测去,就总有一个噪音无法消除。他们排除了一切周围的干扰,一切可能有的噪音。他们确信,他们的仪器中没有混进他们已知的任何人为的环境造成的噪音。他们认为,他们探测到的,消除不了的噪音是客观存在的,而且这个消除不了的微波噪音,在微波波段十几厘处,它肯定是宇宙中固有的。他们得到的这个噪音要换算成为热温度,是黑体辐射3K。在1965年他们终于把十多年前,将近二十年前阿尔法和赫尔曼预言的3K背景辐射找到了。这两个人,彭齐亚斯和威尔逊得了诺贝尔奖。这幅图就是艺术家在描述伽莫夫预言最开始的一瞬间,大爆炸极高的温度,极大的压力,到现在今日形成这样的哈勃称之为星云。现在把他它已经称为星系的天体,四向膨胀。

  那么现在要问了,我们宇宙向何处去。我们都知道,就是在20世纪末,一切关于谈宇宙的书籍都会提到,说我们的宇宙今后可能有三种命运:一种命运,引力最终占上风。由于物质足够得多,最后引力克服四向膨胀的力量,宇宙不再膨胀。宇宙不再膨胀之后,当引力占上风,占一点点上风的时候,就开始收缩,我们的宇宙就开始大收缩,这是第一种。第二种可能就是一直膨胀下去,按照哈勃的线性关系,无穷无尽地一直膨胀下去。第三种它可能膨胀之后又收缩,收缩之后又膨胀,变成反复的脉动。你们去看,凡是2000年前出的一切天文书都预言我们宇宙的命运可能有这三种类型。可是今天我们已经知道了,已经比较明确地知道了,我们的命运只有一种,加速膨胀。

  要想叫它终止膨胀,就是我们宇宙总物质的平均密度必须得达到这样一个量级,才能最终战胜膨胀的力量,终止膨胀。可是现在看见的是这个值,要想终止膨胀是10-31克/立方厘米,可是现在测定的平均密度值是10-33克/立方厘米,差了两个量级,膨胀收不住。但是这个值对不对呢?这个值是怎么测出来的呢?是这样测定的。一直到了20世纪60~70年代,天文学家还普遍地认为,宇宙中的物质主要的表现形式是恒星,就是宇宙的物质主要都存在恒星上。因此你把宇宙中所有的恒星加在一起,这就是宇宙的总质量。但是后来知道,在宇宙中还有看不见的,但是从引力上能表现出来它们存在的,然后就把这类看不见的物质冠上一个普通名词,因为没有办法,用了普通名词来描述它,叫做暗物质。大家注意,我可没说反物质,我说的是暗物质。暗物质就是dark matter 的直译,dark matter是包括了行星,包括了黑洞,凡是你看不见的,探测不出来的,但是它存在着的,还有那些遥远的小星系,因为你也看不见。所以暗物质是在上个世纪七、八十年代之后一个热门的探测对象,找暗物质。但是暗物质找来找去,暗物质的量也不足以达到这个10-31克/立方厘米,就是在这儿再加上一些暗物质,也达不到这个量。

  那么我们的宇宙是不是就一直膨胀下去呢?大家认为,可能还有你不知道的暗物质。就在这个时候,天文学家在这里关心另外一件事情,就是根据引力作用来估量出来的发光天体,和其他有关的天体,包括星云等等都在内的,只占15%,而其他的暗物质应该占85%,但是现在已知的暗物质就凑不足这个数,凑不出85%来,天文学家就很彷徨,很彷徨的时候,天文学家在解决另外一个问题。这个问题是什么呢?就是希望能回答,我们的宇宙大爆炸事件之后,在宇宙中的物质分布是极端地均匀,一锅热汤,这一锅热汤怎么会就变成今日观察到的物质分布得极端不均匀,怎么回事。

  在20世纪80年代,曾有天文学家提出了一个假说。假如在大爆炸那个事件开始之后,在一个极短瞬间,突然间有一个加速膨胀的阶段,这个加速膨胀的阶段非常短暂,短于一秒钟,它甚至于可以超光速,因为它不是天体,是一个群速度。如果有那么一个阶段,这个阶段被称之为“暴胀”阶段,这“暴胀”就是通货膨胀那个字,“inflation”。如果有那么一个阶段,那就是变成了一个微弱的扰动,有那么个微弱的扰动,就会形成今日的物质极端不均匀,这就解释了今天的星系怎么会形成。但是这是一个假说,这个“暴胀”阶段是不是有呢?如果有“暴胀”阶段,今日观察到的3K背景辐射就应该有一定程度上的各向异性。而在20多年前,观察到的背景辐射都是各向同性,非常均匀的3K。那么在20世纪80年代末,天文学家曾创造了一种特别灵敏的仪器,这个特别灵敏仪器搁在卫星上,上天之后很快就下来数据了,果然量出来的,有千分之一的各向异性。这证明什么呢?那个“暴胀”阶段是存在着的。因为只要是有“暴胀”阶段,就会出现各向异性。各向异性果然探测出来了。这是个伟大的成就,这件成就也写入了《科学》杂志当年的十大进展之一。

  又过了一些年,大家还希望能够进一步了解宇宙命运问题。在这里有几组天文学家做着完全不同类型的探索。咱们先说第一种。哈勃空间望远镜升天了,1990年发射的。升天之后,他们就申请了一个项目,来探测50亿光年之外的暗天体,50亿光年之外探测什么暗天体,去找50亿光年以及更遥远的超新星。超新星一爆炸,它的光度可以跟一个星系的总光度相比美。他们申请到了观测时间,就叫哈勃空间望远镜去搜索某些指定天区。去给它录像,当然是用数码相机了。然后把这个天区的图像存在计算机中,过两天,再拍它,再拍这个天区。第二次得到的图像又传回地球,和计算机储存的前一天的那个图像对比。结果发现观测到的所有80亿光年以外的超新星的实际距离都比用哈勃定律算出来的更远。1998年的这项发现震惊了世界,得到了当年《科学》杂志十大科学进展之一。通过遥远宇宙的超新星观察,发现我们的宇宙膨胀在加速。这就是上世纪末的一个重大发现。这个工作还继续做,不仅继续做,而且还希望观测100亿光年之外的超新星。现在正设计,正在研制,正在筹款做更大的望远镜,专门到大气之外去,当然比哈勃望远镜还要大的望远镜,到天上去,去搜寻更遥远的超新星,进一步探索宇宙膨胀加速之谜。

  这样到了上个世纪末,天文学家已经知道了,原来我们的宇宙膨胀在加速。这是不是局部的情况呢?还是整体都如此呢?为此,应该进行类似于90年代那个COBE探测器,就是背景辐射的起伏是不是各向同性的工作。在1998年一个科学家小组,用一个毫米波探测器,把这个探测器搁在气球上,在南极地区叫它升空。为什么搁在南极地区上空呢?因为它升空以后,在南极地区跟北极地区都有这样的情况,就是有长夜,日不出,北极是白昼的时候,南极是长夜,连续半年都没有太阳,就没有了一个辐射干扰源。探测的结果再一次肯定“暴胀”确实存在。这是上世纪末,2000年的《科学》杂志的十大进展之一。

  2001年另外一个科学家小组在做微波背景辐射,就跟COBE类似,但灵敏度高得多。到了2003年初,公布了探测结果。这个结果是什么呢?根据它的起伏情况,可以肯定,它的起伏情况表明我们宇宙的几何特征是一个平直的。最后的结论就是我们的宇宙一直膨胀下去,而且是加速膨胀下去。

  除了这三项实验工作之外,在同时进行的还有一个,另外一项长期的观测宇宙学的工作。这个工作是用光纤去做遥远星系的三维数据,就取得遥远星系的距离和它们的位置。根据这项研究所得出来的初步结论,就是看到了遥远的早期宇宙的物质分布情况。这个结论就是我们的宇宙从大爆炸到现在是137亿年,也就是说我们的宇宙的年龄是137亿年,其中发光天体包括我们太阳在内占4%,暗物质占23%,暗能量占73%,这就是一幅今天我们宇宙的图像,用这么4个数字来描述,一,年龄是137亿年,我们的宇宙大小就是137亿光年,然后里边的物质4%是可见天体, 23%是看不见的,引力效应表示其存在的暗物质,73%是暗能量,这dark energy是斥力性质的,本源不清楚,有待于今后进一步深入研究。而现在看来,这个dark energy不是一个变量,至少在300亿年的时间内不是一个变量。在更大的时空上还是不是继续为不变量,还不知道。因此在可见的未来,在300亿年期间内会是一直按照现在这样的一直加速膨胀下去。这就是今天我们要谈得,我们的膨胀宇宙在加速膨胀,谢谢大家。

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