宇宙在膨脹

      天文學(xué)發(fā)現(xiàn)顛覆我們對于宇宙的觀點，這已經(jīng)不是第一次了。就在100年前，人們還認(rèn)為宇宙是一個寧靜的所在，比我們的銀河系大不了多少。宇宙學(xué)時鐘可靠而又穩(wěn)定地滴答作響，記錄著時間的平穩(wěn)流逝，而宇宙本身則是永恒的，無始無終。但沒過多久，一種顛覆性的紅移就改變了人們的這種觀點。

在20世紀(jì)初，美國天文學(xué)家漢麗埃塔?斯萬?勒維特（Henrietta Swan Leavitt）發(fā)現(xiàn)了一種測量遙遠(yuǎn)恒星距離的方法。當(dāng)時，女性天文學(xué)家沒有接觸大型望遠(yuǎn)鏡的資格，但她們被天文臺雇傭，來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為造父變星（Cepheid）的脈動變星，發(fā)現(xiàn)越明亮的造父變星，脈動的周期也越長。利用這樣的信息，勒維特能夠計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——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。到了20世紀(jì)20年代，美國加利福尼亞威爾遜山上當(dāng)時世界上最大的望遠(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)離我們而去時就會出現(xiàn)。光的波長會被拉長，而波長越長，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——這被稱為哈勃定律（Hubble’s law）。宇宙正在膨脹。

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

這個令人不安的結(jié)論，提出的時間比天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系遠(yuǎn)離早了差不多10年。就連愛因斯坦都難以忍受宇宙不可能穩(wěn)定不變這一事實。因此，為了消滅這種他不想要的宇宙膨脹，愛因斯坦在他的方程里加了一個常數(shù)，他稱之為“宇宙學(xué)常數(shù)”（ cosmological constant）。后來，愛因斯坦認(rèn)為，加上這個宇宙學(xué)常數(shù)是一個大錯誤。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)獎的宇宙學(xué)觀測，我們可以得出這樣的結(jié)論——愛因斯坦加上宇宙學(xué)常數(shù)的這一招實在是聰明絕頂，雖然他當(dāng)年的理由是錯的。

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，即宇宙誕生于大約140億年前的一場大爆炸。時間和空間都起始于那一時刻。從那時起，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。但未來的命運又將如何？

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

開放的宇宙，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)都會在一個越來越大、越來越冷、越來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，宇宙最終會停止膨脹，然后坍縮回來，在一場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最簡單、數(shù)學(xué)上也最優(yōu)雅的宇宙之中——這就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨脹會越來越慢。因此，宇宙最終不是會終

結(jié)于烈火，就是會終結(jié)于寒冰。這是我們無法選擇的事情。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)獎獲得者當(dāng)年認(rèn)為，他們會測量到宇宙減速膨脹，測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，并測量它們?nèi)绾芜\動。然而，說起來容易做起來難。自漢麗埃塔?勒維特發(fā)現(xiàn)造父變星的秘密以來，天文學(xué)家在越來越遠(yuǎn)的距離上找到了許多其他的造父變星。但在天文學(xué)家所要測量的距離上，即數(shù)十億光年以外，造父變星已經(jīng)無法看見。宇宙標(biāo)尺必須延長才行。

超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的標(biāo)準(zhǔn)燭光。地面和太空中越來越先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，以及越來越強(qiáng)大的計算機(jī)，在20世紀(jì)90年代開啟了全新的可能性，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）因為這項發(fā)明獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎。

天文學(xué)家工具箱中的最新工具，是一類特殊的恒星爆炸——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)出的光足以與整個星系相抗衡。這類超新星是白矮星（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法提供更多能量時形成的，因為所有的氫和氦都已經(jīng)在核反應(yīng)中耗盡了，只剩下了碳和氧。通過同樣的方式，在久遠(yuǎn)的未來，我們的太陽也會變成一顆白矮星，最終變得越來越暗，越來越冷。

如果一顆白矮星處在一個雙星系統(tǒng)之中（這是相當(dāng)常見的），那么就會有更令人激動的結(jié)局在等待著它。在這種情況下，白矮星強(qiáng)大的引力會從它的伴星身上搶奪氣體。然而，一旦白矮星超過1.4倍太陽質(zhì)量，它就再也無法維持下去了。此時，白矮星內(nèi)部會變得足夠熾熱，啟動一場失控的核聚變反應(yīng)，整個恒星會在幾秒鐘內(nèi)被炸得粉身碎骨。

這些核聚變產(chǎn)物會釋放出強(qiáng)烈的輻射，在爆炸之后的最初幾星期內(nèi)迅速增亮，直到隨后的幾個月內(nèi)才逐漸變暗。因此，發(fā)現(xiàn)這些超新星必須要快，因為它們劇烈的爆發(fā)相當(dāng)短暫。在整個可觀測宇宙之中，平均每分鐘大約爆發(fā)10顆Ia型超新星。但宇宙實在太過巨大。一個典型的星系平均每1000年才會出現(xiàn)一到兩顆超新星爆發(fā)。2011年9月，我們很幸運地在北斗七星附近的一個星系中觀測到了這樣一顆超新星爆發(fā)，通過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，面對這么大一片天空，我們究竟應(yīng)該在什么時間往哪里看呢？