核心提示：觀測(cè)到的宇宙膨脹，在理論計(jì)算中其實(shí)已經(jīng)被人提出過(guò)了。1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了他的廣義相對(duì)論，此后這一直是我們理解宇宙的基礎(chǔ)。按照廣義相對(duì)論，宇宙只能收縮或者膨脹，不可能穩(wěn)定不變。

圖說(shuō)：世界正在膨脹。宇宙的膨脹始于140億年前的大爆炸，但在最初幾十億年里，宇宙膨脹的速度是越來(lái)越慢的。但最終，它開(kāi)始加速膨脹。這種加速被認(rèn)為是由暗能量驅(qū)動(dòng)的，這種暗能量起初只占宇宙的一小部分。但隨著物質(zhì)在宇宙膨脹過(guò)程中逐漸稀釋?zhuān)的芰孔兊迷絹?lái)越顯著。

果殼網(wǎng)10月5日編譯報(bào)道 寫(xiě)在恒星之中：“有人說(shuō)世界將終結(jié)于烈火，有人說(shuō)將終結(jié)于寒冰……”

宇宙最終的命運(yùn)是什么？或許它將終結(jié)于寒冰，如果我們打算相信今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的話。他們已經(jīng)仔細(xì)研究了幾十顆遙遠(yuǎn)星系之中被稱(chēng)為“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨脹的結(jié)論。

即便是對(duì)這些獲獎(jiǎng)?wù)叨?，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也完全出乎他們的意料。他們看到的現(xiàn)象，就好比是把一個(gè)小球拋向了空中，卻沒(méi)有看到它落回來(lái)，反倒看著它越來(lái)越快地上升，最終消失在了空中，仿佛引力無(wú)法逆轉(zhuǎn)小球上升的軌跡一般。類(lèi)似的事情似乎發(fā)生在整個(gè)宇宙當(dāng)中。

宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊(yùn)藏于空間結(jié)構(gòu)中的某種未知能量的推動(dòng)下，宇宙正在分崩離析。這種所謂的“暗能量”（dark energy）占據(jù)了宇宙成分的絕大部分，含量超過(guò)70%。它的本質(zhì)仍然是謎，或許是今天的物理學(xué)面臨的最大謎題。所以難怪，當(dāng)兩個(gè)不同的研究團(tuán)隊(duì)在1998年公布相似的結(jié)果時(shí)，宇宙學(xué)的根基被撼動(dòng)了。

索爾?佩爾穆特（Saul Perlmutter）領(lǐng)導(dǎo)著其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)，即1988年啟動(dòng)的“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”（Supernova Cosmology Project）。布萊恩?施密特（Brian Schmidt）領(lǐng)導(dǎo)著另一個(gè)團(tuán)隊(duì)，即1994年啟動(dòng)的“高紅移超新星研究組”（High-z Supernova Search Team）展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，亞當(dāng)?里斯（Adam Riess）在其中起到了至關(guān)重要的作用。

兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)尋找遙遠(yuǎn)空間中爆發(fā)的超新星，展開(kāi)了繪制宇宙“地圖”的競(jìng)賽。通過(guò)確定這些超新星的距離和它們離我們而去的速度，科學(xué)家希望能夠揭開(kāi)我們宇宙的最終命運(yùn)。他們本來(lái)以為，自己會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在減速的跡象，這種減速將決定宇宙會(huì)終結(jié)于烈火還是寒冰。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了完全相反的事實(shí)——宇宙膨脹正在加速。

宇宙在膨脹

天文學(xué)發(fā)現(xiàn)顛覆我們對(duì)于宇宙的觀點(diǎn)，這已經(jīng)不是第一次了。就在100年前，人們還認(rèn)為宇宙是一個(gè)寧?kù)o的所在，比我們的銀河系大不了多少。宇宙學(xué)時(shí)鐘可靠而又穩(wěn)定地滴答作響，記錄著時(shí)間的平穩(wěn)流逝，而宇宙本身則是永恒的，無(wú)始無(wú)終。但沒(méi)過(guò)多久，一種顛覆性的紅移就改變了人們的這種觀點(diǎn)。

在20世紀(jì)初，美國(guó)天文學(xué)家漢麗埃塔?斯萬(wàn)?勒維特（Henrietta Swan Leavitt）發(fā)現(xiàn)了一種測(cè)量遙遠(yuǎn)恒星距離的方法。當(dāng)時(shí)，女性天文學(xué)家沒(méi)有接觸大型望遠(yuǎn)鏡的資格，但她們被天文臺(tái)雇傭，來(lái)從事分析照相底板的繁重工作。漢麗埃塔?勒維特研究了上千顆被稱(chēng)為造父變星（Cepheid）的脈動(dòng)變星，發(fā)現(xiàn)越明亮的造父變星，脈動(dòng)的周期也越長(zhǎng)。利用這樣的信息，勒維特能夠計(jì)算出造父變星自身的亮度。

只要有一顆造父變星的距離是已知的，其他造父變星的距離就可以推算出來(lái)——恒星的光顯得越暗，它的距離就越遠(yuǎn)。一種可靠的標(biāo)準(zhǔn)燭光就這樣誕生了，直到今天，它們?nèi)允怯钪婢嚯x標(biāo)尺上的第一個(gè)標(biāo)記。利用這些造父變星，天文學(xué)家很快就得出結(jié)論——銀河系只是宇宙中許多星系中普普通通的一個(gè)。到了20世紀(jì)20年代，美國(guó)加利福尼亞威爾遜山上當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡投入了使用，這讓天文學(xué)家能夠證明，幾乎所有星系都在遠(yuǎn)離我們而去。他們研究的是一種叫做“紅移”（redshift）的現(xiàn)象，當(dāng)光源遠(yuǎn)離我們而去時(shí)就會(huì)出現(xiàn)。光的波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)，而波長(zhǎng)越長(zhǎng)，它的顏色就越紅。天文學(xué)家得出的結(jié)論是，星系不光在離我們而去，彼此之間也在相互遠(yuǎn)離，而且距離越遠(yuǎn)，逃離的速度就越快——這被稱(chēng)為哈勃定律（Hubble’s law）。宇宙正在膨脹。

宇宙學(xué)常數(shù)的歸去來(lái)兮

具有穩(wěn)定亮度的標(biāo)準(zhǔn)燭光，是測(cè)量遙遠(yuǎn)恒星的距離所必需的。

觀測(cè)到的宇宙膨脹，在理論計(jì)算中其實(shí)已經(jīng)被人提出過(guò)了。1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了他的廣義相對(duì)論，此后這一直是我們理解宇宙的基礎(chǔ)。按照廣義相對(duì)論，宇宙只能收縮或者膨脹，不可能穩(wěn)定不變。

這個(gè)令人不安的結(jié)論，提出的時(shí)間比天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系遠(yuǎn)離早了差不多10年。就連愛(ài)因斯坦都難以忍受宇宙不可能穩(wěn)定不變這一事實(shí)。因此，為了消滅這種他不想要的宇宙膨脹，愛(ài)因斯坦在他的方程里加了一個(gè)常數(shù)，他稱(chēng)之為“宇宙學(xué)常數(shù)”（ cosmological constant）。后來(lái)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為，加上這個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)是一個(gè)大錯(cuò)誤。然而，有了那些完成于1997-1998年、并在今年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的宇宙學(xué)觀測(cè)，我們可以得出這樣的結(jié)論——愛(ài)因斯坦加上宇宙學(xué)常數(shù)的這一招實(shí)在是聰明絕頂，雖然他當(dāng)年的理由是錯(cuò)的。

發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹，讓我們邁出了奠定基礎(chǔ)的第一步，最終得出了今天的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)觀點(diǎn)，即宇宙誕生于大約140億年前的一場(chǎng)大爆炸。時(shí)間和空間都起始于那一時(shí)刻。從那時(shí)起，宇宙就一直在膨脹；星系則像是烤箱中正在膨脹的蛋糕里夾雜的葡萄干，由于宇宙學(xué)膨脹而彼此遠(yuǎn)離。但未來(lái)的命運(yùn)又將如何？

超新星——宇宙新標(biāo)尺

當(dāng)愛(ài)因斯坦放棄宇宙學(xué)常數(shù)，轉(zhuǎn)而向非靜態(tài)宇宙觀點(diǎn)投誠(chéng)時(shí)，他把宇宙的幾何形狀同宇宙的命運(yùn)聯(lián)系了起來(lái)。宇宙到底是開(kāi)放的、閉合的，還是介于兩者之間——是平坦的呢？

開(kāi)放的宇宙，指的是物質(zhì)引力不足以阻止宇宙膨脹。這樣的話，所有物質(zhì)都會(huì)在一個(gè)越來(lái)越大、越來(lái)越冷、越來(lái)越空曠的空間中不斷稀釋下去。閉合的宇宙則剛好相反，引力強(qiáng)大的足以停止甚至逆轉(zhuǎn)宇宙的膨脹。這樣的話，宇宙最終會(huì)停止膨脹，然后坍縮回來(lái)，在一場(chǎng)熾熱而劇烈的大擠壓（Big Crunch）中終結(jié)。然而，大多數(shù)宇宙學(xué)家都更喜歡生活在一個(gè)最簡(jiǎn)單、數(shù)學(xué)上也最優(yōu)雅的宇宙之中——這就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨脹會(huì)越來(lái)越慢。因此，宇宙最終不是會(huì)終結(jié)于烈火，就是會(huì)終結(jié)于寒冰。這是我們無(wú)法選擇的事情。如果存在宇宙學(xué)常數(shù)，那么膨脹就將持續(xù)加速，哪怕宇宙是平坦的。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者當(dāng)年認(rèn)為，他們會(huì)測(cè)量到宇宙減速膨脹，測(cè)量出宇宙膨脹的速度是如何減慢的。他們采用的方法，從原理上講，跟60多年前天文學(xué)家所用的方法是一樣的——那就是給遙遠(yuǎn)的恒星定位，并測(cè)量它們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)。然而，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。自漢麗埃塔?勒維特發(fā)現(xiàn)造父變星的秘密以來(lái)，天文學(xué)家在越來(lái)越遠(yuǎn)的距離上找到了許多其他的造父變星。但在天文學(xué)家所要測(cè)量的距離上，即數(shù)十億光年以外，造父變星已經(jīng)無(wú)法看見(jiàn)。宇宙標(biāo)尺必須延長(zhǎng)才行。

超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的標(biāo)準(zhǔn)燭光。地面和太空中越來(lái)越先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，以及越來(lái)越強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在20世紀(jì)90年代開(kāi)啟了全新的可能性，讓天文學(xué)家有能力為宇宙學(xué)拼圖填上更多空缺的內(nèi)容。其中最關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)步，則是光敏數(shù)碼成像傳感器CCD的發(fā)明——發(fā)明者威廉?波義耳（Willard Boyle）和喬治?史密斯（George Smith）因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

白矮星爆炸

天文學(xué)家工具箱中的最新工具，是一類(lèi)特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短幾星期之內(nèi)，單單一顆這樣的超新星發(fā)出的光足以與整個(gè)星系相抗衡。這類(lèi)超新星是白矮星（white dwarf）爆炸的結(jié)果——這種超致密老年恒星像太陽(yáng)一樣重，卻只有地球這么大。這種爆炸是白矮星生命循環(huán)中的最后一步。

白矮星是一顆恒星核心處無(wú)法提供更多能量時(shí)形成的，因?yàn)樗械臍浜秃ざ家呀?jīng)在核反應(yīng)中耗盡了，只剩下了碳和氧。通過(guò)同樣的方式，在久遠(yuǎn)的未來(lái)，我們的太陽(yáng)也會(huì)變成一顆白矮星，最終變得越來(lái)越暗，越來(lái)越冷。

如果一顆白矮星處在一個(gè)雙星系統(tǒng)之中（這是相當(dāng)常見(jiàn)的），那么就會(huì)有更令人激動(dòng)的結(jié)局在等待著它。在這種情況下，白矮星強(qiáng)大的引力會(huì)從它的伴星身上搶奪氣體。然而，一旦白矮星超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，它就再也無(wú)法維持下去了。此時(shí)，白矮星內(nèi)部會(huì)變得足夠熾熱，啟動(dòng)一場(chǎng)失控的核聚變反應(yīng)，整個(gè)恒星會(huì)在幾秒鐘內(nèi)被炸得粉身碎骨。

這些核聚變產(chǎn)物會(huì)釋放出強(qiáng)烈的輻射，在爆炸之后的最初幾星期內(nèi)迅速增亮，直到隨后的幾個(gè)月內(nèi)才逐漸變暗。因此，發(fā)現(xiàn)這些超新星必須要快，因?yàn)樗鼈儎×业谋l(fā)相當(dāng)短暫。在整個(gè)可觀測(cè)宇宙之中，平均每分鐘大約爆發(fā)10顆Ia型超新星。但宇宙實(shí)在太過(guò)巨大。一個(gè)典型的星系平均每1000年才會(huì)出現(xiàn)一到兩顆超新星爆發(fā)。2011年9月，我們很幸運(yùn)地在北斗七星附近的一個(gè)星系中觀測(cè)到了這樣一顆超新星爆發(fā)，通過(guò)一副普通的雙筒望遠(yuǎn)鏡就能夠看到。但大多數(shù)超新星離我們要遙遠(yuǎn)得多，因而也暗淡得多。那么，面對(duì)這么大一片天空，我們究竟應(yīng)該在什么時(shí)間往哪里看呢？

令人震驚的結(jié)論

兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的研究團(tuán)隊(duì)都知道，他們必須徹查整個(gè)天空，來(lái)尋找遙遠(yuǎn)的超新星。訣竅就在于，比較同樣的一小塊天空拍攝于不同時(shí)間的兩張照片。這一小塊天空的大小，就相當(dāng)于你伸直手臂時(shí)看到的指甲蓋大小。第一張照片必須在新月之后拍攝，第二張照片則要在3個(gè)星期之后，搶在月光把星光淹沒(méi)之前拍攝。接下來(lái)，兩張照片就可以拿來(lái)比對(duì)，希望能夠從中發(fā)現(xiàn)一個(gè)小小光點(diǎn)，即CCD圖像中的一個(gè)像素——這有可能就是遙遠(yuǎn)星系中爆發(fā)了一顆超新星的標(biāo)志。只有距離超過(guò)可觀測(cè)宇宙半徑1/3的超新星才是可用的，這樣做是為了消除近距離星系自身運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)的干擾。

研究人員還有許多其他難題需要應(yīng)對(duì)。Ia型超新星似乎并不像人們一開(kāi)始認(rèn)為的那樣可靠——最明亮的超新星爆發(fā)亮度衰減的速度要更慢一些。此外，超新星的亮度還必須扣除它們所在星系的背景亮度。另一個(gè)重要任務(wù)是獲得修正亮度。我們和那些恒星之間的星系際塵埃會(huì)改變星光。在計(jì)算超新星最大亮度時(shí)，這些因素對(duì)結(jié)果都會(huì)有影響。

追蹤超新星挑戰(zhàn)的不只是科學(xué)和技術(shù)的極限，更是統(tǒng)籌安排的極限。首先，正確類(lèi)型的超新星必須要被找到。其次，它的紅移和亮度必須要被測(cè)量出來(lái)。亮度隨時(shí)間變化的光變曲線必須接受分析，以便能夠?qū)⑺c其他類(lèi)型相同、距離已知的超新星作比較。這就要求科學(xué)家構(gòu)成的工作網(wǎng)絡(luò)能夠迅速判斷某一顆恒星是否值得列入候選進(jìn)行觀測(cè)。他們必須能夠在不同的望遠(yuǎn)鏡之間切換，毫無(wú)延遲地獲得一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間，而申請(qǐng)觀測(cè)時(shí)間的過(guò)程通常需要花上幾個(gè)月時(shí)間。他們還必須迅速行動(dòng)，因?yàn)槌滦呛芸炀蜁?huì)變暗。有時(shí)候，這兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的研究團(tuán)隊(duì)還會(huì)悄悄“撞車(chē)”。

這條研究道路上存在太多潛在的陷阱，事實(shí)上令這些科學(xué)家能夠放下心來(lái)的原因在于，他們得出了驚人但卻相同的結(jié)果：總的來(lái)說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)了大約50顆遙遠(yuǎn)的超新星，它們的星光似乎比預(yù)期的要暗。這一結(jié)果與科學(xué)家事先的預(yù)期完全相反。如果宇宙膨脹越來(lái)越慢的話，超新星應(yīng)該顯得更亮才對(duì)。然而，隨著超新星被所在星系裹挾著，以越來(lái)越快的速度相互遠(yuǎn)離，它們的亮度也會(huì)越來(lái)越暗。他們得出的結(jié)論出人意料：宇宙膨脹非但沒(méi)有越來(lái)越慢，反而恰恰相反——宇宙膨脹在加速。

從現(xiàn)在到永恒

那么，是什么在加速宇宙膨脹呢？這種神秘力量被稱(chēng)為暗能量，它向物理學(xué)提出了一大挑戰(zhàn)，至今無(wú)人能夠破解這一謎題?？茖W(xué)家已經(jīng)提出了若干想法。最簡(jiǎn)單的辦法，就是重新引入愛(ài)因斯坦一度放棄的宇宙學(xué)常數(shù)。當(dāng)年愛(ài)因斯坦加入宇宙學(xué)常數(shù)的目的，是為了引入一種能夠與物質(zhì)之間的引力相抗衡的斥力，從而創(chuàng)造出一個(gè)靜態(tài)的宇宙。如今，宇宙學(xué)常數(shù)卻似乎在加速宇宙的膨脹。

宇宙學(xué)常數(shù)當(dāng)然是個(gè)常數(shù)，是一個(gè)不隨時(shí)間變化的參數(shù)。因此，隨著物質(zhì)在宇宙幾十億年來(lái)的膨脹過(guò)程中逐漸被稀釋?zhuān)镔|(zhì)的引力也會(huì)越來(lái)越弱，暗能量就會(huì)逐漸占據(jù)上風(fēng)。按照科學(xué)家的說(shuō)法，這可以解釋為什么宇宙學(xué)常數(shù)直到宇宙歷史中相當(dāng)晚的一個(gè)時(shí)期，也就是五六十億年前，才逐漸開(kāi)始發(fā)揮作用。大約在那一時(shí)期，物質(zhì)的引力減到了比宇宙學(xué)常數(shù)還弱的地步。而在那一時(shí)期之前，宇宙的膨脹確實(shí)是一直在減速。

宇宙學(xué)常數(shù)可能源自于真空，按照量子物理學(xué)的觀點(diǎn)，真空從來(lái)就沒(méi)有真的空過(guò)。相反，真空是一鍋不斷翻滾的量子湯，正反物質(zhì)的虛粒子不斷產(chǎn)生又不斷消失，從而產(chǎn)生出能量。然而，對(duì)暗能量數(shù)量最簡(jiǎn)單的估算，與空間中測(cè)量到的暗能量數(shù)量卻完全不符，足足大了大約10^120倍（1后面跟120個(gè)零）。這成了橫亙?cè)诶碚撆c觀測(cè)之間的一條至今無(wú)解的巨大鴻溝——要知道，地球上所有海灘上的沙粒加在一起，也不過(guò)只有10^20（1后面跟20個(gè)零）。

也許，暗能量根本就不是常數(shù)?；蛟S它會(huì)隨時(shí)間變化?；蛟S一種未知的力場(chǎng)只是偶爾產(chǎn)生了暗能量。在物理學(xué)上，許多這樣的力場(chǎng)被統(tǒng)稱(chēng)為“精質(zhì)”（quintessence），得名于希臘文的“第五元素”。精質(zhì)可以加速宇宙膨脹，但只是有時(shí)候如此。這樣一來(lái)，預(yù)言宇宙最終命運(yùn)就成了一件不可能完成的事情。

不管暗能量是什么，它似乎都會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)期存在下去。它與物理學(xué)家和天文學(xué)家研究了很長(zhǎng)時(shí)間的宇宙學(xué)謎題符合得非常完美。按照現(xiàn)在公認(rèn)的觀點(diǎn)，宇宙大約有3/4由暗能量構(gòu)成。剩余的是物質(zhì)。但普通物質(zhì)，也就是構(gòu)成星系、恒星、人類(lèi)和花花草草的東西，只占宇宙成分的5%。其他物質(zhì)被稱(chēng)為暗物質(zhì)，至今仍在跟我們“躲貓貓”。

暗物質(zhì)是我們大都未知的宇宙中另一個(gè)迄今未解的謎題。與暗能量一樣，暗物質(zhì)也是不可見(jiàn)的。對(duì)于這兩樣?xùn)|西，我們只知道它們發(fā)揮的作用—— 一個(gè)是推，另一個(gè)是拉。名字前面那個(gè)“暗”字，是它們唯一的共同點(diǎn)。

因此，2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的發(fā)現(xiàn)，向科學(xué)界揭露了一個(gè)95%的成分仍然未知的宇宙?，F(xiàn)在，一切又皆有可能了。