[2011诺贝尔物理奖]宇宙加速膨胀完整图文解读
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[2011 诺贝尔物理奖 宇宙加速膨胀完整图文解读 诺贝尔物理奖]宇宙加速膨胀完整图文解读
写在恒星之中
“有人说世界将终结于烈火,有人说将终结于寒冰……” 宇宙最终的命运是什么?或许它将终结于寒冰, 如果我们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的 话。 他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为“超新星” (supernova)的爆炸恒星, 得出了宇宙正在加速膨胀的结论。 即便是对这些获奖者而言,这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象,就好比是把 一个小球抛向了空中,却没有看到它落回来,反倒看着它越来越快地上升,最终消失在了空 中,仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。
[世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于 140 亿年前的大爆炸,但在最初几十亿年里,宇宙膨胀的 世界正在膨胀。 世界正在膨胀 速度是越来越慢的。但最终,它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量驱动的,这种暗 能量起初只占宇宙的一小部分。 但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释, 暗能量变得越来越 显著。] 宇宙膨胀的这种加速度暗示, 在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下, 宇宙正在分崩 离析。 这种所谓的“暗能量” (dark energy) 占据了宇宙成分的绝大部分, 含量超过 70%。 它的本质仍然是谜,或许是今天的物理学面临的最大谜题。所以难怪,当两个不同的研究团 队在 1998 年公布相似的结果时,宇宙学的根基被撼动了。 索尔•佩尔穆特(Saul Perlmutter)领导着其中一个团队,即 1988 年启动的“超新星宇宙 学项目”(Supernova Cosmology Project)。布莱恩•施密特(Brian Schmidt)领导 着另一个团队,即 1994 年启动的“高红移超新星研究组”(High-z Supernova Search Team)展开竞争,亚当•里斯(Adam Riess)在其中起到了至关重要的作用。 两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星,展开了绘制宇宙“地图”的竞赛。通过确定 这些超新星的距离和它们离我们而去的速度, 科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。 他 们本来以为, 自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象, 这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是 寒冰。结果,他们发现了完全相反的事实——宇宙膨胀正在加速。
[一闪一闪亮晶晶,天上星星在哪里……]
宇宙在膨胀
天文学发现颠覆我们对于宇宙的观点,这已经不是第一次了。就在 100 年前,人们还认为 宇宙是一个宁静的所在, 比我们的银河系大不了多少。 宇宙学时钟可靠而又稳定地滴答作响, 记录着时间的平稳流逝,而宇宙本身则是永恒的,无始无终。但没过多久,一种颠覆性的红 移就改变了人们的这种观点。 在 20 世纪初,美国天文学家汉丽埃塔•斯万•勒维特(Henrietta Swan Leavitt)发现了 一种测量遥远恒星距离的方法。当时,女性天文学家没有接触大型望远镜的资格,但她们被 天文台雇佣,来从事分析照相底板的繁重工作。汉丽埃塔•勒维特研究了上千颗被称为造父 变星(Cepheid)的脉动变星,发现越明亮的造父变星,脉动的周期也越长。利用这样的信 息,勒维特能够计算出造父变星自身的亮度。 只要有一颗造父变星的距离是已知的, 其他造父变星的距离就可以推算出来——恒星的光显 得越暗,它的距离就越远。一种可靠的标准烛光就这样诞生了,直到今天,它们仍是宇宙距 离标尺上的第一个标记。 利用这些造父变星, 天文学家很快就得出结论——银河系只是宇宙 中许多星系中普普通通的一个。到了 20 世纪 20 年代,美国加利福尼亚威尔逊山上当时世 界上最大的望远镜投入了使用,这让天文学家能够证明,几乎所有星系都在远离我们而去。 他们研究的是一种叫做“红移”(redshift)的现象,当光源远离我们而去时就会出现。光的 波长会被拉长,而波长越长,它的颜色就越红。天文学家得出的结论是,星系不光在离我们 而去,彼此之间也在相互远离,而且距离越远,逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律 (Hubble’s law)。宇宙正在膨胀。
[具有稳定亮度的标准烛光,是测量遥远恒星的距离所必需的。]
宇宙学常数的归去来兮
观测到的宇宙膨胀,在理论计算中其实已经被人提出过了。1915 年,爱因斯坦发表了他的 广义相对论, 此后这一直是我们理解宇宙的基础。 按照广义相对论, 宇宙只能收缩或者膨胀, 不可能稳定不变。 这个令人不安的结论,提出的时间比天文学家发现星系远离早了差不多 10 年。就连爱因斯 坦都难以忍受宇宙不可能稳定不变这一事实。因此,为了消灭这种他不想要的宇宙膨胀,爱 因斯坦在他的方程里加了一个常数, 他称之为“宇宙学常数” cosmological constant) ( 。 后来,爱因斯坦认为,加上这个宇宙学常数是一个大错误。然而,有了那些完成于 1997-1998 年、并在今年获得诺贝尔物理学奖的宇宙学观测,我们可以得出这样的结论 ——爱因斯坦加上宇宙学常数的这一招实在是聪明绝顶,虽然他当年的理由是错的。 发现宇宙膨胀,让我们迈出了奠定基础的第一步,最终得出了今天的标准宇宙学观点,即宇 宙诞生于大约 140 亿年前的一场大爆炸。时间和空间都起始于那一时刻。从那时起,宇宙 就一直在膨胀; 星系则像是烤箱中正在膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干, 由于宇宙学膨胀而彼此 远离。但未来的命运又将如何?
超新星——宇宙新标尺 宇宙新标尺 超新星
当爱因斯坦放弃宇宙学常数, 转而向非静态宇宙观点投诚时, 他把宇宙的几何形状同宇宙的 命运联系了起来。宇宙到底是开放的、闭合的,还是介于两者之间——是平坦的呢? 开放的宇宙,指的是物质引力不足以阻止宇宙膨胀。这样的话,所有物质都会在一个越来越 大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。闭合的宇宙则刚好相反,引力强大的足 以停止甚至逆转宇宙的膨胀。这样的话,宇宙最终会停止膨胀,然后坍缩回来,在一场炽热 而剧烈的大挤压(Big Crunch)中终结。然而,大多数宇宙学家都更喜欢生活在一个最简 单、 数学上也最优雅的宇宙之中——这就是平坦的宇宙, 其中的宇宙膨胀会越来越慢。 因此, 宇宙最终不是会终结于烈火,就是会终结于寒冰。这是我们无法选择的事情。如果存在宇宙 学常数,那么膨胀就将持续加速,哪怕宇宙是平坦的。 今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为, 他们会测量到宇宙减速膨胀, 测量出宇宙膨胀的速 度是如何减慢的。他们采用的方法,从原理上讲,跟 60 多年前天文学家所用的方法是一样 的——那就是给遥远的恒星定位,并测量它们如何运动。然而,说起来容易做起来难。自汉 丽埃塔•勒维特发现造父变星的秘密以来,天文学家在越来越远的距离上找到了许多其他的