一隻又死又活的薛定諤的貓

第七章 宇宙常數與暗能量

　　2011年的諾貝爾物理獎被授予三名天體物理學家：珀爾馬特（Saul Perlmutter）、施密特（Brian Paul Schmidt）和裏斯（Adam Guy Riess）。他們的主要成就是通過對距離遙遠的超新星的觀測，推斷出宇宙正在加速膨脹，從而開啟了人們對神奇的暗能量的認識之門。他們的發現被譽為“最近30年來對物理學最大的震撼”。要想了解這項工作的重要意義，還得從愛因斯坦的廣義相對論說起。

　　愛因斯坦在發表了廣義相對論之後，有一個問題一直困擾著他：宇宙中所有的物質之間都存在相互吸引的引力，為什麽它們沒有被吸到一起？是什麽讓宇宙能維持目前這種相對穩定的狀態？這個問題很多年前就曾經讓牛頓大傷腦筋，無路可走之下，牛頓最後隻好把原因歸結為上帝的安排。為了使宇宙不至收縮成一團，愛因斯坦在他廣義相對論的引力場方程裏引入了一個常數--宇宙常數，這個常數的作用是讓宇宙間存在一種負壓強。在日常生活裏，我們知道流體（比如水）總是從壓強高的地方流向壓強低的地方。這種無處不在的負壓強則會使宇宙具有膨脹的趨勢，如果宇宙常數具有一個恰到好處的數值，負壓強就能正好平衡掉物質間的引力，從而形成一個穩定的宇宙。

　　然而這一回物理學卻和愛因斯坦開了一個大玩笑。

　　1929年，被尊為星係天文學之父的哈勃（Hubble，1889-1953）發現距地球越遠的星係，離地球而去的速度就越快，而且這個速度（V）和地球與星係間的距離（D）成正比（D=H×V）。這就是著名的哈勃定律，比例常數H被稱為哈勃常數。哈勃定律不僅適用於從地球上進行的觀測，而且也適用於從宇宙中任何地方進行的觀測，也就是說，無論觀測者在哪兒，都會看到同樣的現象。它意味著星係與星係間的距離在不斷變大，因而宇宙並非是一個靜態的、穩定的宇宙，它正在不斷地膨脹！由此看來，在引力場方程中加進宇宙常數就成了畫蛇添足之舉。以宇宙在膨脹這一事實為出發點，如果將宇宙的演化看成一部電影，把這部電影反過來放就不可避免地得出宇宙有“起點”的結論，這是最早的對勒梅特（Lemaitre，1894-1966）在1927年提出的宇宙大爆炸理論的有力支持。根據大爆炸理論，宇宙最初從一點爆發出來，整個宇宙空間連同其內的物質一起“向外”膨脹，不管我們以哪個星係作為立足的觀測點，其他星係都在離我們而去，這也正是哈勃定律的結論。有一點必須說明一下，“向外”是不確切的說法，因為根本沒有“外”，膨脹的是我們身處其中的宇宙空間本身。

　　哈勃的發現具有劃時代的意義。可惜在他活著的時候諾貝爾物理獎是不授予天文學方麵的成果的，否則哈勃必獲諾貝爾物理獎無疑（他死後不久，規則就修改了）。在得知了哈勃的觀測結果之後，愛因斯坦立刻意識到宇宙常數的引入使他與從理論上預見到宇宙膨脹失之交臂。據說愛因斯坦曾對人講過，引入宇宙常數是他犯的“最愚蠢的錯誤”。

　　初看起來，由於宇宙中物質間存在著引力，而引力具有讓物質聚攏到一起的趨勢，宇宙膨脹的速度應該會逐漸減小並在某個時間達到零。之後，宇宙將開始收縮，最終所有的物質將聚集成密度無窮大的一點，這就是宇宙的“大擠壓”（Big Crunch）終結。不過也存在另一種可能，如果宇宙中的物質不夠多，膨脹速度的減少就會不夠快（減速度不夠大），引力的作用則無法使膨脹速度最終達到零，那麽宇宙就會永遠膨脹下去。換句話說就是宇宙膨脹的減速度（與宇宙裏所有物質的總質量相關）決定了宇宙的歸宿。在宇宙學中，科學家們用一個稱為Ω的值來衡量宇宙膨脹的減速度的大小，如果Ω小於1宇宙會以“大擠壓”終結，如果Ω剛好是1，宇宙膨脹的速度最終會趨於零，但那是在無窮久遠之後，因而宇宙不會收縮。

　　這個減速度如果真的存在，它將是對哈勃定律的一種修正，即會使膨脹速度與距離的關係稍稍偏離哈勃發現的線性關係。由於宇宙中物質的平均密度很低，引力引起的減速度非常之小，因而隻有測量到非常遙遠的星體的速度，才有可能看到速度與距離的關係是否（以及如何）偏離哈勃定律。麻煩的是，對於很遠的星體，傳統的測量距離的方法是不靈的。測量遙遠星體的距離曾經是對天文觀測的一個高難度挑戰。比較可行的方法是通過測量星體的亮度來推算距離。一個具有一定亮度的物體，距離越遠，看上去就越暗。一旦知道一個物體的絕對亮度（即零距離時的亮度），無論它在什麽距離之外，通過測量它的相對亮度就可以算出它的距離。在天文學裏，能夠知道其絕對亮度的星體被稱為“標準燭光”。經過千挑萬選，天文學家們發現隻有超新星有可能可以作為“標準燭光”。

　　超新星是某些恒星在演化接近末期時經曆的一種劇烈爆炸。這種爆炸都會發出極其明亮的光，過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星係，並可持續幾周至幾個月才會逐漸衰減為不可見。根據估算，在像銀河係大小的星係中，超新星爆發的概率約為50年一次。有關超新星的最早記錄出自於我們的老祖宗之手，《後漢書天文誌》載：“中平二年（185年）十月癸亥，客星出南門中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至後年六月消。”這是曆史上有記載的第一顆超新星，這顆超新星在夜空中照耀了8個月。雖然人類很早就觀測到超新星，但想找到極為遙遠的超新星卻非常困難。另外，超新星有不止一種類型，最終可用作的“標準燭光”僅Ia型一類。

　　為了尋找遠距離超新星，在1986年左右，洛倫茲-伯克利實驗室專門設立了一項研究計劃Supernova Cosmology Project（簡稱SCP），這個項目最初由潘奈派克（Penny Packer）領導，珀爾馬特是成員之一。潘奈派克的學問雖然不錯，但不善組織管理，時常把經費搞得亂七八糟。後來就由珀爾馬特接手領導SCP。這個團隊的成員主要是粒子物理學家，對天文學界來說他們是天文觀測的門外漢，同時也可以算是“入侵者”。開始時很多人都等著看笑話，也有人認為這是在浪費資源，像天文學界的重量級人物、哈佛大學的科什納（Kirshner）就經常給他們小鞋穿。但是當SCP觀測到了第一顆遠距離超新星後（1992年中），天文學界不得不開始對他們刮目相看。到1995年他們已經建立了一整套尋找遠距離超新星的有效方法。也是在這一年，在施密特倡導下，以天文學家為主體的High-z團隊正式成立了。High-z的成員來自很多國家，他們以投票的方式來決定是由重量級的科什納還是由剛獲得博士學位不久的施密特擔任“首領”。選舉結果讓很多人跌破眼鏡--施密特勝出。那時大概沒人會想到這次投票實際決定了2011年的諾貝爾物理獎會花落誰家。High-z成立時已經比SCP落後了五六年，為了在這場競賽中不被淘汰，必須急起直追。但是要想在超新星的數量上趕上SCP幾乎已經不可能了，因此他們決定利用正牌天文學家在觀測和分析技巧方麵的優勢，從質量上下功夫。由於定位得當，High-z不久就具備了與SCP一較短長的實力。這兩個研究團隊間的競爭用慘烈來形容也不算過分，他們之間的恩怨糾葛足可以寫一本小說。

　　1998年初，經過多年的不懈努力，由珀爾馬特領導的SCP和施密特領導的High-z團隊終於收集到了足夠的Ia型超新星的觀測數據，可以計算決定宇宙“命運”的Ω值了。由裏斯主導而得出的計算結果（所用的絕大部分超新星觀測數據來自SCP）卻讓所有的人瞠目結舌--宇宙膨脹的速度不但不是在減少，反而是在不斷增加！也就是說宇宙間可能存在一種無處不在的、推動整個宇宙加速膨脹的“暗能量”。更有甚者，這種奇特的暗能量占了宇宙總質量/能量的73%之多。這樣的結論在一開始實在有點難以讓人接受。於是有天文學家提出，也許宇宙中存在某種灰色塵埃，使超新星的亮度看上去比實際的亮度暗，從而導致了對距離的誤判。如何排除灰色塵埃存在的可能性，使天體物理學家們傷透了腦筋。裏斯那時是High-z的成員，同時也在太空望遠鏡科學研究所工作。他很快想到了一個可行的判斷方法：大爆炸提供了宇宙膨脹的原始動力，其後的一段時間裏由於宇宙空間很小，物質的密度很大，物質間的引力占統治地位。這期間引力的作用使物質聚攏而形成星體、星係、星係團，同時也會使宇宙膨脹呈減速的趨勢（但也不足以使膨脹停止）。隨著宇宙不斷變大，物質的密度不斷降低，物質間的引力逐漸減弱。當宇宙大到一定程度後，暗能量的作用就會超過引力的影響，宇宙膨脹的速度則開始從減少變成增加。如果真是這樣，在這個轉折點之前的超新星雖然更遠（注意，我們看到的更遠的星體，也就是宇宙更早期時它的狀態）卻反而應該更亮！這相當於說極遙遠超新星和遙遠超新星對哈勃定律的偏離應該是相反的。而灰色塵埃則不可能導致這種反向的偏離。隻要能找到一顆極遙遠的超新星，前麵的難題就迎刃而解了。非常巧的是，在1997年，為了證明太空望遠鏡可以“見”地麵望遠鏡所不能“見”，吉利蘭（Gilliland）和菲利普斯（Phillips）曾經觀測了兩顆極遠距離的超新星--SN1997ff和SN1997fg。不過由於他們的目的僅是要顯示太空望遠鏡的優越性，這兩顆超新星都隻各有一次觀測記錄。而要確定超新星的標準亮度，需要多次在不同時間的觀測結果。裏斯抱著極為僥幸的心理查閱了SN1997ff和SN1997fg從爆發後到熄滅前這段時間太空望遠鏡的所有觀測記錄，他是想碰碰運氣，看是否有人在進行其他目的的觀測時恰巧捎帶記錄下了這兩顆超新星的數據。裏斯的運氣實在是太好了，在1997年12月26日、1998年1月2日和6日的記錄裏真的存有SN1997ff的數據。經過對這些數據的分析，SN1997ff明顯顯示出對哈勃定律相反方向的偏離。裏斯的結論為SCP和High-z共同完成的這項改變人類對宇宙認識的重要研究畫下了一個完美的句號。

　　如果暗能量真的存在，它的效應就像前麵提到過的負壓強，也就意味著廣義相對論的場方程裏應該有那個宇宙常數。真是三十年河東三十年河西，引入宇宙常數忽然又從“最愚蠢的錯誤”一下變成了遠見卓識！

　　近年來，一係列新的觀測結果基本都指向同一結論：暗能量確實存在，宇宙正在加速膨脹。這意味著在很多億年之後，各星係團之間的距離將太為遙遠，以至於光都不能從一個星係團達到另一個星係團。如果那時人類還沒有滅絕，他們將隻能看到本星係團之內的星星，甚至根本不知道宇宙中還存在著其他的星係團！