三隻魚池
來源於西方哲學分流中一個古老的東方傳說。
解讀2011諾貝爾物理學獎：圖解宇宙加速膨脹(圖)
核心提示：觀測到的宇宙膨脹，在理論計算中其實已經被人提出過了。1915年，愛因斯坦發表了他的廣義相對論，此後這一直是我們理解宇宙的基礎。按照廣義相對論，宇宙隻能收縮或者膨脹，不可能穩定不變。
圖說：世界正在膨脹。宇宙的膨脹始於140億年前的大爆炸，但在最初幾十億年裏，宇宙膨脹的速度是越來越慢的。但最終，它開始加速膨脹。這種加速被認為是由暗能量驅動的，這種暗能量起初隻占宇宙的一小部分。但隨著物質在宇宙膨脹過程中逐漸稀釋，暗能量變得越來越顯著。
果殼網10月5日編譯報道 寫在恒星之中：“有人說世界將終結於烈火，有人說將終結於寒冰……”
宇宙最終的命運是什麽？或許它將終結於寒冰，如果我們打算相信今年的諾貝爾物理學獎的話。他們已經仔細研究了幾十顆遙遠星係之中被稱為“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨脹的結論。
即便是對這些獲獎者而言，這項發現也完全出乎他們的意料。他們看到的現象，就好比是把一個小球拋向了空中，卻沒有看到它落回來，反倒看著它越來越快地上升，最終消失在了空中，仿佛引力無法逆轉小球上升的軌跡一般。類似的事情似乎發生在整個宇宙當中。
宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊藏於空間結構中的某種未知能量的推動下，宇宙正在分崩離析。這種所謂的“暗能量”（dark energy）占據了宇宙成分的絕大部分，含量超過70%。它的本質仍然是謎，或許是今天的物理學麵臨的最大謎題。所以難怪，當兩個不同的研究團隊在1998年公布相似的結果時，宇宙學的根基被撼動了。
索爾•佩爾穆特（Saul Perlmutter）領導著其中一個團隊，即1988年啟動的“超新星宇宙學項目”（Supernova Cosmology Project）。布萊恩•施密特（Brian Schmidt）領導著另一個團隊，即1994年啟動的“高紅移超新星研究組”（High-z Supernova Search Team）展開競爭，亞當•裏斯（Adam Riess）在其中起到了至關重要的作用。
兩個研究團隊通過尋找遙遠空間中爆發的超新星，展開了繪製宇宙“地圖”的競賽。通過確定這些超新星的距離和它們離我們而去的速度，科學家希望能夠揭開我們宇宙的最終命運。他們本來以為，自己會發現宇宙膨脹正在減速的跡象，這種減速將決定宇宙會終結於烈火還是寒冰。結果，他們發現了完全相反的事實——宇宙膨脹正在加速。
宇宙在膨脹
天文學發現顛覆我們對於宇宙的觀點，這已經不是第一次了。就在100年前，人們還認為宇宙是一個寧靜的所在，比我們的銀河係大不了多少。宇宙學時鍾可靠而又穩定地滴答作響，記錄著時間的平穩流逝，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世紀初，美國天文學家漢麗埃塔•斯萬•勒維特（Henrietta Swan Leavitt）發現了一種測量遙遠恒星距離的方法。當時，女性天文學家沒有接觸大型望遠鏡的資格，但她們被天文台雇傭，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，發現越明亮的造父變星，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。
隻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。一種可靠的標準燭光就這樣誕生了，直到今天，它們仍是宇宙距離標尺上的第一個標記。利用這些造父變星，天文學家很快就得出結論——銀河係隻是宇宙中許多星係中普普通通的一個。到了20世紀20年代，美國加利福尼亞威爾遜山上當時世界上最大的望遠鏡投入了使用，這讓天文學家能夠證明，幾乎所有星係都在遠離我們而去。他們研究的是一種叫做“紅移”（redshift）的現象，當光源遠離我們而去時就會出現。光的波長會被拉長，而波長越長，它的顏色就越紅。天文學家得出的結論是，星係不光在離我們而去，彼此之間也在相互遠離，而且距離越遠，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。
宇宙學常數的歸去來兮
具有穩定亮度的標準燭光，是測量遙遠恒星的距離所必需的。
觀測到的宇宙膨脹，在理論計算中其實已經被人提出過了。1915年，愛因斯坦發表了他的廣義相對論，此後這一直是我們理解宇宙的基礎。按照廣義相對論，宇宙隻能收縮或者膨脹，不可能穩定不變。
這個令人不安的結論，提出的時間比天文學家發現星係遠離早了差不多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裏加了一個常數，他稱之為“宇宙學常數”（ cosmological constant）。後來，愛因斯坦認為，加上這個宇宙學常數是一個大錯誤。然而，有了那些完成於1997-1998年、並在今年獲得諾貝爾物理學獎的宇宙學觀測，我們可以得出這樣的結論——愛因斯坦加上宇宙學常數的這一招實在是聰明絕頂，雖然他當年的理由是錯的。
發現宇宙膨脹，讓我們邁出了奠定基礎的第一步，最終得出了今天的標準宇宙學觀點，即宇宙誕生於大約140億年前的一場大爆炸。時間和空間都起始於那一時刻。從那時起，宇宙就一直在膨脹；星係則像是烤箱中正在膨脹的蛋糕裏夾雜的葡萄幹，由於宇宙學膨脹而彼此遠離。但未來的命運又將如何？
超新星——宇宙新標尺
當愛因斯坦放棄宇宙學常數，轉而向非靜態宇宙觀點投誠時，他把宇宙的幾何形狀同宇宙的命運聯係了起來。宇宙到底是開放的、閉合的，還是介於兩者之間——是平坦的呢？
開放的宇宙，指的是物質引力不足以阻止宇宙膨脹。這樣的話，所有物質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，引力強大的足以停止甚至逆轉宇宙的膨脹。這樣的話，宇宙最終會停止膨脹，然後坍縮回來，在一場熾熱而劇烈的大擠壓（Big Crunch）中終結。然而，大多數宇宙學家都更喜歡生活在一個最簡單、數學上也最優雅的宇宙之中——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於烈火，就是會終結於寒冰。這是我們無法選擇的事情。如果存在宇宙學常數，那麽膨脹就將持續加速，哪怕宇宙是平坦的。
今年的諾貝爾物理學獎獲得者當年認為，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多年前天文學家所用的方法是一樣的——那就是給遙遠的恒星定位，並測量它們如何運動。然而，說起來容易做起來難。自漢麗埃塔•勒維特發現造父變星的秘密以來，天文學家在越來越遠的距離上找到了許多其他的造父變星。但在天文學家所要測量的距離上，即數十億光年以外，造父變星已經無法看見。宇宙標尺必須延長才行。
超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的標準燭光。地麵和太空中越來越先進的望遠鏡，以及越來越強大的計算機，在20世紀90年代開啟了全新的可能性，讓天文學家有能力為宇宙學拚圖填上更多空缺的內容。其中最關鍵的技術進步，則是光敏數碼成像傳感器CCD的發明——發明者威廉•波義耳（Willard Boyle）和喬治•史密斯（George Smith）因為這項發明獲得了2009年諾貝爾物理學獎。
白矮星爆炸
天文學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，單單一顆這樣的超新星發出的光足以與整個星係相抗衡。這類超新星是白矮星（white dwarf）爆炸的結果——這種超致密老年恒星像太陽一樣重，卻隻有地球這麽大。這種爆炸是白矮星生命循環中的最後一步。
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在核反應中耗盡了，隻剩下了碳和氧。通過同樣的方式，在久遠的未來，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係統之中（這是相當常見的），那麽就會有更令人激動的結局在等待著它。在這種情況下，白矮星強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倍太陽質量，它就再也無法維持下去了。此時，白矮星內部會變得足夠熾熱，啟動一場失控的核聚變反應，整個恒星會在幾秒鍾內被炸得粉身碎骨。
這些核聚變產物會釋放出強烈的輻射，在爆炸之後的最初幾星期內迅速增亮，直到隨後的幾個月內才逐漸變暗。因此，發現這些超新星必須要快，因為它們劇烈的爆發相當短暫。在整個可觀測宇宙之中，平均每分鍾大約爆發10顆Ia型超新星。但宇宙實在太過巨大。一個典型的星係平均每1000年才會出現一到兩顆超新星爆發。2011年9月，我們很幸運地在北鬥七星附近的一個星係中觀測到了這樣一顆超新星爆發，通過一副普通的雙筒望遠鏡就能夠看到。但大多數超新星離我們要遙遠得多，因而也暗淡得多。那麽，麵對這麽大一片天空，我們究竟應該在什麽時間往哪裏看呢？
令人震驚的結論
兩個相互競爭的研究團隊都知道，他們必須徹查整個天空，來尋找遙遠的超新星。訣竅就在於，比較同樣的一小塊天空拍攝於不同時間的兩張照片。這一小塊天空的大小，就相當於你伸直手臂時看到的指甲蓋大小。第一張照片必須在新月之後拍攝，第二張照片則要在3個星期之後，搶在月光把星光淹沒之前拍攝。接下來，兩張照片就可以拿來比對，希望能夠從中發現一個小小光點，即CCD圖像中的一個像素——這有可能就是遙遠星係中爆發了一顆超新星的標誌。隻有距離超過可觀測宇宙半徑1/3的超新星才是可用的，這樣做是為了消除近距離星係自身運動而帶來的幹擾。
研究人員還有許多其他難題需要應對。Ia型超新星似乎並不像人們一開始認為的那樣可靠——最明亮的超新星爆發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係的背景亮度。另一個重要任務是獲得修正亮度。我們和那些恒星之間的星係際塵埃會改變星光。在計算超新星最大亮度時，這些因素對結果都會有影響。
追蹤超新星挑戰的不隻是科學和技術的極限，更是統籌安排的極限。首先，正確類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量出來。亮度隨時間變化的光變曲線必須接受分析，以便能夠將它與其他類型相同、距離已知的超新星作比較。這就要求科學家構成的工作網絡能夠迅速判斷某一顆恒星是否值得列入候選進行觀測。他們必須能夠在不同的望遠鏡之間切換，毫無延遲地獲得一台望遠鏡的觀測時間，而申請觀測時間的過程通常需要花上幾個月時間。他們還必須迅速行動，因為超新星很快就會變暗。有時候，這兩個相互競爭的研究團隊還會悄悄“撞車”。
這條研究道路上存在太多潛在的陷阱，事實上令這些科學家能夠放下心來的原因在於，他們得出了驚人但卻相同的結果：總的來說，他們發現了大約50顆遙遠的超新星，它們的星光似乎比預期的要暗。這一結果與科學家事先的預期完全相反。如果宇宙膨脹越來越慢的話，超新星應該顯得更亮才對。然而，隨著超新星被所在星係裹挾著，以越來越快的速度相互遠離，它們的亮度也會越來越暗。他們得出的結論出人意料：宇宙膨脹非但沒有越來越慢，反而恰恰相反——宇宙膨脹在加速。
從現在到永恒
那麽，是什麽在加速宇宙膨脹呢？這種神秘力量被稱為暗能量，它向物理學提出了一大挑戰，至今無人能夠破解這一謎題。科學家已經提出了若幹想法。最簡單的辦法，就是重新引入愛因斯坦一度放棄的宇宙學常數。當年愛因斯坦加入宇宙學常數的目的，是為了引入一種能夠與物質之間的引力相抗衡的斥力，從而創造出一個靜態的宇宙。如今，宇宙學常數卻似乎在加速宇宙的膨脹。
宇宙學常數當然是個常數，是一個不隨時間變化的參數。因此，隨著物質在宇宙幾十億年來的膨脹過程中逐漸被稀釋，物質的引力也會越來越弱，暗能量就會逐漸占據上風。按照科學家的說法，這可以解釋為什麽宇宙學常數直到宇宙曆史中相當晚的一個時期，也就是五六十億年前，才逐漸開始發揮作用。大約在那一時期，物質的引力減到了比宇宙學常數還弱的地步。而在那一時期之前，宇宙的膨脹確實是一直在減速。
宇宙學常數可能源自於真空，按照量子物理學的觀點，真空從來就沒有真的空過。相反，真空是一鍋不斷翻滾的量子湯，正反物質的虛粒子不斷產生又不斷消失，從而產生出能量。然而，對暗能量數量最簡單的估算，與空間中測量到的暗能量數量卻完全不符，足足大了大約10^120倍（1後麵跟120個零）。這成了橫亙在理論與觀測之間的一條至今無解的巨大鴻溝——要知道，地球上所有海灘上的沙粒加在一起，也不過隻有10^20（1後麵跟20個零）。
也許，暗能量根本就不是常數。或許它會隨時間變化。或許一種未知的力場隻是偶爾產生了暗能量。在物理學上，許多這樣的力場被統稱為“精質”（quintessence），得名於希臘文的“第五元素”。精質可以加速宇宙膨脹，但隻是有時候如此。這樣一來，預言宇宙最終命運就成了一件不可能完成的事情。
不管暗能量是什麽，它似乎都會繼續長期存在下去。它與物理學家和天文學家研究了很長時間的宇宙學謎題符合得非常完美。按照現在公認的觀點，宇宙大約有3/4由暗能量構成。剩餘的是物質。但普通物質，也就是構成星係、恒星、人類和花花草草的東西，隻占宇宙成分的5%。其他物質被稱為暗物質，至今仍在跟我們“躲貓貓”。
暗物質是我們大都未知的宇宙中另一個迄今未解的謎題。與暗能量一樣，暗物質也是不可見的。對於這兩樣東西，我們隻知道它們發揮的作用—— 一個是推，另一個是拉。名字前麵那個“暗”字，是它們唯一的共同點。
因此，2011年諾貝爾物理學獎的發現，向科學界揭露了一個95%的成分仍然未知的宇宙。現在，一切又皆有可能了。
