[2011诺贝尔物理奖]宇宙加速膨胀完整图文解读

[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