两千五百年前，屈原一篇《天问》发出了中国人找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合照，人类的眼神抵达了距离月球46亿光年的遥远距离……然而宇宙对人类来说依然饱含了无数谜题，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燃后发生了哪些？现在人类探求宇宙本源的极限在那里？人类离揭露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，知名化学学家、李政道研究所主任、五院教授、上海交通学院原院长张杰在北京学院“大师面对面”讲座上，分享了关于宇宙物质起源与演变最前沿的科学发觉与思索。
张杰在北京学院“大师面对面”讲座上，分享关于宇宙物质起源与演变最前沿的科学发觉与思索。北京学院供图
张杰，1958年出生，知名化学学家，曾任重庆交通学院院长（2006年至2017年）。他是中国科大学教授、德国国家科大学教授、发展中国家科大学教授、英国皇家工程院外籍教授、美国国家科大学外籍教授。历任中国数学学会理事长，李政道研究所主任，曾任中国科大学副校长。
张杰主要从事高能量密度化学前沿研究，与科研团队研发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帧率提升到优于50皮秒，刷新了世界纪录。今年大学物理实验密度测量实验报告，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早已到了微秒级
以138亿年前的宇宙大爆燃为开端，张杰梳理了物质的起源与演变过程。现在科学界的主流观点觉得，宇宙大爆燃发生在10-43秒以内，被称为普朗克时代。在10-43秒至10-35秒时宇宙步入了上涨时代，从10-35秒至10-3秒宇宙步入了轻子时代。目前，人类对宇宙起源的认识，早已能溯源到10-3秒，也就是微秒级别了。
“现在的宇宙是一个暗能量主导的宇宙。”张杰说到，到了大爆燃后2亿年，在暗物质的帮助下第一代星体在黑暗时代中产生。宇宙从大爆燃开始，走过由幅射主导、物质主导到暗能量主导的不同阶段，总算在10亿年后诞生了第一代星系。
神秘的暗物质和暗能量是哪些？张杰说，明天宇宙中95%的物质存在方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份都是这些状态的物质。
这些物态有多极端？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的手指上的浮力。现在，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，3500亿大气压浮力相当于将10000艘山东舰压在手指上。
我国探求初期宇宙站在世界最前沿
1054年，元朝天文学家杨惟德观察到双子座蟹状星云，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相片坐落飞鱼座的星体团SMACS0723，早已距离月球46亿光年。
张杰介绍，从杨惟德肉眼观察到韦伯太空望远镜，在人类探求初期宇宙本源的过程中，我国作出了重要贡献大学物理实验密度测量实验报告，以李政道研究所科学家为代表的中国科学家早已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体弱引力透镜样本（3亿）、最大的星体群样本（9700万）、最精确的银河系暗物质分布与质量检测。现在，人类早已可以晓得暗物质和暗能量在宇宙的演变中起到了重要作用，在宇宙里，重子物质只占5%，暗物质占23%，暗能量占72%，即使我们尚不晓得它们的本质。
季向东、刘江来团队在重庆锦屏深地实验室先后建成三代液氙实验，高灵敏度搜救暗物质，多次获得侦测灵敏度国际领先的结果。这个实验室建在地下2400米深处，研究人员在上面渡过了无数个日日夜夜，她们甚至连见太阳的时间都屈指可数。
传统上人类借助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，徐东莲团队正在施行“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求极端宇宙。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稀数据，这种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，科学家们借助高能量密度激光实现了天文学从观测迈向实验。张杰领衔的团队借助强激光，成功模拟了太阳日冕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%的物质存在方式是高能量密度状态，对高能量密度化学过程的探求将为人类了解愈发宽广的宇宙打开一扇房门，愈发丰富多彩的未来世界已经出现在我们眼前。”张杰如是说。