【图书简介】

本书辑录了南京大学校友终身学习辅助计划“诚计划”2022—2023 年度自然科学直播讲座的14篇演讲文稿，包含南大故事、科学前沿、行业动态、科学与人文素养等主题，涉及医学、天文、数学、生命科学、计算机、电子、物理、化学、环境、建筑等不同学科和专业主题的研究成果，旨在提供一个跨越专业边界的通识教育读本。

【目 录】

001  学科交叉融合与化生医药前沿

  主讲老师：郭子建

019  宇宙人生

  主讲老师：李向东

040  从《几何原本》谈起

  主讲老师：秦厚荣

062  自信自立，开辟中国特色的原创科研道路

  主讲老师：张辰宇

079  可信软件漫谈

——软件可信吗？

主讲老师：李宣东

100   超导单光子探测器及其应用

主讲老师：吴培亨

128 物理学的发现改变世界

主讲老师：邢定钰

155 健康需要管理

主讲老师：蒋青

179 我和我的南大

——68年风雨兼程

主讲老师：方成

214 “标准—科技—产业”聚合创新的思考

主讲老师：任洪强

241 建成环境的发展与当下

主讲老师：丁沃沃

269 驱动化学变革的理论与计算化学

主讲老师：黎书华

288 治水治污保护生态环境，创新创业推动学科建设

——在南京大学三十年创新创业的回顾与体会

主讲老师：张全兴

308 浅谈数学及其应用

主讲老师：丁南庆

试读：

宇宙人生

【诚计划】第08期

直播时间

2022年7月6日（周三） 19:30—21:00

直播地点

南京大学鼓楼校区21舍终身教育学院演播室

主讲老师：李向东

南京大学天文与空间科学学院教授、院长，教育部高等学校天文学类专业教学指导委员会主任委员，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授（2015—2020），国家杰出青年基金获得者，国家高层次人才特殊支持计划教学名师，政府特殊津贴获得者。曾获得国家自然科学三等奖、教育部科技进步一等奖、教育部提名国家科学技术奖自然科学一等奖、高等教育（本科）国家级教学成果一等奖和江苏省教学成果奖（高等教育类）特等奖。

主持人：施洋

南京大学终身教育学院主持人

【主持人】施洋：

直播间的各位朋友，大家晚上好！欢迎走进南京大学暾学堂。南京大学校友终身学习辅助计划第8期，今晚继续开讲。我是本期讲座的主持人施洋，来自南京大学终身教育学院。今天，我们非常荣幸地邀请到南京大学天文与空间科学学院院长李向东老师，为大家解读宇宙人生。李老师是2015年至2020年教育部长江学者奖励计划特聘教授、国家杰出青年基金获得者、高等学校天文学类专业教学指导委员会主任委员、国家高层次人才特殊支持计划教学名师。接下来，李老师将带领大家一起探讨天文学视角下的生命观。有请李老师！

【主讲老师】李向东：

各位朋友们晚上好！感谢主持人的热情介绍。今天我演讲的主题是“宇宙人生”。生命的历程就像一场马拉松，在这个漫长的旅程中，每个人都有自己独特的人生轨迹。但有时我们只顾埋头前行，忘记了欣赏沿途的风景，甚至忘记了出发的目的。今天，我将从天文学的角度，带领大家领略这场马拉松中曾经经历和即将看到的风景，希望能给大家带来不一样的认识和感悟。

首先，我想引用著名天文学家卡尔 ·萨根的一句名言：“在广袤的空间和无限的时间中，能与你共享同一颗行星和同一段时光是我的荣幸。 ”这句话告诉我们，我们每个人能在这颗星球上生活在这个时代，是非常难得的。为什么这么说呢？

让我们来思考一下。以我们每个人为例，我们的存在都离不开我们的父母。而他们的存在，又离不开他们的父母。以此类推，你会发现每个人的祖先数量是惊人的。如果我们以30年为一代人来计算，那么将时间回溯900年，也就是到宋朝时，所有人的祖先数量大约是10亿人，远远超过了宋朝的总人口！这意味着我们的祖先之间有着密切的血缘关系。因此，在任何时候，环顾四周，你和你认识的、不认识的人，广义来说都是一家人。

米兰 ·昆德拉曾说过，“生活是一种永恒的沉重的努力”。我们刚刚提到生命本身是一段珍贵的旅程，然而生存也是一项艰巨的挑战。最近，社会上流行着一个词叫作“躺平”。但如果我们既要追求舒适的生活，又想维持体面，那么我们应该如何应对呢？有人可能会提议买彩票，例如双色球，以期一夜暴富。

双色球彩票的规则是这样的：在33个蓝球中选择6个，在16个红球中选择1个。如果选择的6+1数字与开奖的数字完全相符，那么就中了头奖。然而，中头奖的概率是多少呢？大约是1/17721088。这是一个非常小的数字，在购买彩票的一千多万人中，仅有一个人可能会中奖。

然而，每个生命存在于地球上的概率，甚至比购买双色球中奖的概率还要低。我们简单估算一下。在可观测宇宙中，若将所有物质换算成原子的形式，大约有1050个原子。而构成我们每一个生命个体的原子数量接近1028。让这些原来杂乱无章、随机分布的原子形成每一个个体，它的概率是多少呢？大约是1/1028，甚至更小。从这个角度来看，我们每一个人都是宇宙中的幸运儿，是超级获奖者。

生命的形成本就是一种奇迹，然而我们能够活在当下并且自由地思考，背后也有一个令人感慨的漫长历程。据科学家估计，自生命诞生至今，地球上曾经存在的物种数目至少有300亿，甚至可能达到4万亿。然而，时至今日， 99.9%的生命形式已经不复存在。这意味着，生命虽然曾经大量出现，但大部分都已消亡，我们是难得的幸存者。

以人类为例，有人估算过，地球上曾经出生的人类数量接近1000亿，我们只是其中的一员。1000亿这个数字看上去很大，然而与DNA可能的组合数目相比又是微不足道的。“脆弱伊甸园”假说认为，距今约7万年前，全球人口可能不到1万，这是通过分析每个人之间的DNA差异得出的结论。这种差异非常微小，比灵长类动物如黑猩猩之间的差异要小得多。这意味着在演化历史上，大部分曾经存在的人都已经消亡。我们的祖先可以追溯为这大约1万个人。因此，我们是从无数的生命中幸存下来的奇迹。理查德 ·道金斯在《解析彩虹》中感慨：“你和我，尽管如此平凡，但仍从这概率低得令人眩晕的命运利齿下逃脱，来到世间。”

生命如此珍贵，我们不禁要问：生命究竟是什么呢？换句话说，我们如何成为一个个活生生、有思想、有感情的人呢？让我们先从物质的角度来做一点剖析。

对于一个成年人来说，如果将身体内所有的物质分解，你会发现，构成我们的成分其实并不复杂：水35升、碳20千克、氨水4升、石灰1.5千克、800克的磷、250克的盐、100克的硝石、80克的硫黄，再加上7.5克的氟、3克的硅、5克的铁以及一些微量元素。这些普通的物质混合起来，构成了我们每一个个体。

你可能会问，我们只是团有智慧的泥巴吗？换句话说，我们如何才能达到现在的境界呢？要回答这个问题，我们可能需要跳出对世界的感性认识。

回顾并思考一下我们所处的环境。身处地球上，我们常常被周围的美好景象所迷惑。在步行、骑车、开车、坐车时，看到整洁的房屋、宽敞的马路、富饶的田地等等，我们往往觉得自己身处一个富饶的环境中。但是如果我们从高空俯瞰地球，则会看到地球上大部分土地被海洋、山脉和沙漠覆盖，而人类只是零星分布在地球上面。当我们意识到这点，想必会更加珍惜自己脚下的大地。

我认为宇航员可能是对生命有最深刻理解的哲学家。1968年12月24日，阿波罗飞船上的宇航员从月球背面拍摄了一张地球的照片，震动了全世界。当时的宇航员威廉 ·安德斯后来写道：“能够亲眼看到地球是那么渺小，令我茅塞顿开……那种感觉，倒不是地球有多渺小，而是地球之外的世界有多广阔。 ”覆盖着云层，分布着陆地和海洋的地球，展示出一种色彩斑斓、生机勃勃的景象。与之相对应的是覆盖着沙尘的荒瘠月球表面，没有任何生命存在的迹象。这时，你会深刻体会到地球所处的环境是多么清冷，而地球上丰富的生命形态在这个广袤空间里是多么难得。

从太空观察地球引出了我们对生命的一个重要认识 —人类命运共同体。正如习近平主席在2017年1月18日联合国日内瓦总部发表的题为《共同构建人类命运共同体》的主旨演讲中所强调的：“当今世界充满不确定性，人们对未来既寄予期待又感到困惑。世界怎么了、我们怎么办？这是整个世界都在思考的问题。”

为了回答这些问题，我们需要跳出日常感知的范围。借鉴王国维先生《人间词话》中的一句话：“诗人对宇宙人生，须入乎其内，又须出乎其外。 ”为了准确认知我们在宇宙中的位置，既要从最微小的尺度进行探讨，也要从最大的尺度进行观察。日常生活里我们常用的工具如手机、汽车和电脑等把我们与自然界隔离开来。要理解我们与自然的内在联系，我们需要借助其他工具—尤其是望远镜和显微镜来感受更大和更小的世界。

首先，让我们探讨一下生命的“起源”，这是今天演讲的第一个关键词。今天的历史主要指民族史或国家史，但实际上在此之上还有一部人类共同参与的文明史。无论民族史或国家史多么漫长，它们都无法超越大约1万年的文明史。为了了解文明的起源，我们需要探索600万年的人类演化史。为了确定人类为什么会在地球上出现，我们需要了解地球30亿年的生命进化史。要解答地球上为何会出现生命这个问题，我们需要在更大的框架下进行探究，即在太阳和太阳系演化的历史背景下进行研究。换句话说，我们需要了解长达45亿年的太阳系史。接下来，我们需要思考的是：在银河系的演化时空中太阳系处于什么位置？为了解答这个问题，我们需要探索120亿年的银河系历史。最终，我们要追寻时间的“尽头”，也就是宇宙的起点，它发生在大约137亿年前。因此，要了解文明的起源，我们需要从宇宙大爆炸开始讲起。

然而137亿年的宇宙历史非常漫长，我们无法详尽地描述其中发生的每一件事。为了便于理解，卡尔 ·萨根将宇宙的演化史压缩为一年。假设宇宙诞生的起点发生在1月1日的零点，即此刻发生了宇宙大爆炸，标志着万物的开端。注意宇宙大爆炸并不是通常意义上的爆炸。因为在那一刻，宇宙中没有空气，不会产生声响。实际上，某种程度上它更像是一场灯光秀 —极高的能量在一个极小的区域里释放出来，宇宙中充满了能量，也就是光。光与光之间会发生相互作用形成粒子。这些粒子是我们今天所知道的一些最基本的粒子，比如夸克和电子等等。

这些基本粒子不断产生，又不断湮灭。我们可以形象地称其为“宇宙的原汤”。如果我们将今天的世界比作一盘精美的大菜，那么这盘菜最早就是从这锅汤开始的。而汤的原料来源于爱因斯坦著名的公式 E =mc 2，它表明物质可以从能量中产生。

因此，宇宙中的每一个个体、每一份物质，包括我们自己，都可以追溯到最早的能量。那些由能量形成的基本粒子后来结合形成了质子和中子。到了1月10日，质子 —也就是我们所说的氢原子核 —因为相互之间的引力作用聚集成团并相互碰撞，形成了更重的氦原子核。这意味着能量可以通过核聚变反应过程释放出来，而这团气体相应地开始发光，意味着第一代的恒星出现了。

星体因为引力聚集成团，我们将其称为星系。第一批星系大概在1月13日的时候形成。之后发生了很多事件，我无法一一给大家进行描述，所以挑选了一些对我们来说特别重要的事件。譬如说，3月15日，一个非常特别的星系—银河系诞生了。银河系包含了上千亿颗恒星，其中有一颗恒星和我们的关联是最紧密的，那就是太阳。但是太阳的形成要晚很多，它要到8月31日才形成。伴随着太阳的形成，产生了很多的“副产品”，包括我们所熟知的八大行星、彗星、小行星以及各种各样的小天体等等。所以，行星系统其实是恒星形成的“副产物”。

时间继续流逝，到了9月21日，地球上终于出现了生命。我们不清楚最早的生命到底是怎样形成的。达尔文认为生命可能诞生于海边的温热的小池塘里，今天不少科学家倾向于认为生命可能最早产生于海底。生命进化的整个过程非常复杂。我们所知道的是，到了12月31日的最后一个小时 —也就是23点的时候人类才开始出现。换句话说，在整个一年里面人的历史也就是一小时，而我们的文字记录只有14秒，也就是我们的文明史可以认为是从12月31日的23点59分46秒才开始的。人的一生不过百年，如果放到宇宙年历里面，也就是一眨眼的工夫。