2011諾貝爾物理獎: 超新星、宇宙膨脹、暗能量

2011年的諾貝爾物理學家授予了三位天文學家Saul Perlmutter，Brian P. Schmidt，Adam G. Riess，他們的貢獻是通過對超新星的觀測發現宇宙正在加速膨脹。其結果對人類對宇宙的認識有深刻的影響。要理解他們工作需要多方麵的知識。下麵，我試圖做一個簡介。

現有的理論認為，宇宙的產生是從一個極小的空間開始急劇膨脹，然後進入一個相對緩慢的膨脹階段。這被形象的稱為宇宙大爆炸理論。這個理論得到了非常完美的 觀測驗證。它能精確推導出現有宇宙的很多屬性，包括各種化學元素的比例，微波背景輻射的溫度，等等。這個理論並非異想天開，而是根據天文觀測結果做出的推 斷。

早在20世紀初，科學家們通過天文觀測發現，遠處星係發出的光的波長被拉長了。之所以知道光波被拉長，是因為我們知道這些光的“正確”的波長。電子圍繞原 子核運動時，隻能在一些固定的能級上，電子在不同能級之間躍遷時發出（或吸收）的光的波長也就是確定的。科學家發現，如果把遠處星係的光譜給移動一下，就 能正好與各種物質的固有波長對應上。因為波長被拉長，也就是頻率降低，我們把這個光譜的變化稱為紅移。

不僅如此，科學家們還發現，距離越遠的星係，其光譜紅移量越大，也就是光的波長被拉得越長。對此，科學的解釋是，我們看到的光實際上是以前發出來的，因為 宇宙在膨脹，也就是空間在膨脹，光在傳播過程中被拉長了。距離越遠，實際上我們看到的更久以前的光，舉例說，我們看到的一個距離500萬光年的天體的光是 500萬年前發出來的，而我們看到的一個距離1000萬光年的天體發出的光是1000萬年前發出的。由於宇宙一直在膨脹，那麽這個1000萬年前的光在傳 播過程中就被拉長得更多，或者說紅移量更大。

光的紅移量很好測量，但是遠處星係的距離是怎麽測出來的呢？怎麽知道一個星係是在500萬光年還是1000萬光年的距離外呢？這麽大的距離是不可能通過三 角幾何方法計算的。而通常方法是，找一種亮度很大的星體作為標準蠟燭，通過測量這類標準星體的亮度來計算距離。顯然這種計算，要求這種星體的亮度相同，否 則就沒法比較了。有一種亮度會變化的恒星就是作為標準蠟燭的良好選擇，它們的質量為太陽的若幹倍，亮度強10萬倍。

但要確定超過1億光年這麽大的距離，靠恒星作為標準蠟燭是不夠的。科學家發現，有一種類型的超新星（稱為Type Ia超新星）的最大亮度幾乎完全一致，而且其亮度比太陽大若幹億倍。 是作為測量距離的上佳選擇。如果用這類超新星為標準，可以確定10億光年的距離，這就使我們能夠測量10億年以前宇宙膨脹的速度。

但是要用超新星作為標準麵臨一係列困難。超新星爆發並不頻繁，一個星係平均一百年才有一次。人類有文字記載的曆史以來，整個銀河係隻觀測了聊聊幾次超新星 爆發。人類最早一次超新星記載是公元185年，見於中國的《後漢書》，然後是宋朝記載了一次。不僅如此，超新星爆發後，一般幾個月就暗淡下去了，因此必須及時觀測，而世界上大型望遠鏡的觀測 時間是有限的。

這三位獲獎的天文學家解決了上麵的問題。其中加州大學伯克萊分校的那位的方法是，每個月新月的時候對的大量星係拍照，然後下個月同一時間再拍照，然後用計算機進行比對，找出超新星，然後迅速跟蹤進行光學分析。這樣獲得了大量的星係紅移與距離的數據。

其結果是驚人的。他們分析數據發現，宇宙正在加速膨脹。換言之，宇宙的膨脹越來越快。

根據廣義相對論的方程（用牛頓引力理論也能恰好得出類似結果：見附圖），宇宙的膨脹的加速度a與物質密度d，壓強p,半徑r的關係是

a = - 4*pi/3 ( d+ 3p)*r

由這個方程可見，如果壓力p的正的，膨脹加速度為負值。但如果壓強是負的，膨脹加速度就可能是正的，宇宙膨脹將以幾何增長的形式越來越快。

過去10多年來各種觀測的結果都證明，宇宙確實是在加速膨脹。也就是說，宇宙存在一種負壓強。這種負壓強源自真空的能量，被稱為暗能量。

有讀者可能會問，如果真空有能量，宇宙不斷膨脹，空間體積增加，那能量不是憑空產生，越來越多嗎？

答案是，雖然暗能量在增加，但引力能量是負的，可能正好與增加的暗能量抵消。

物理學家費曼在1960年代就猜想，整個宇宙的能量總和為零。考慮一個半徑為R,質量為M的球體，其引力能（負值）為 -3/5* GM^2/R,而其相對論能量為M*c^2 （c為光速）。宇宙的質量約 10^54 kg, 半徑約 460億光年，把這些數據代入，我們發現引力負能確實基本與其質能抵消。

更進一步，有很多人認為宇宙可能完全產生於虛無之中。

宇宙加速膨脹的後果是什麽呢？那些遙遠的星係將加速遠離銀河係。如果不斷加速下去，它們會以超過光速的速度離我們遠去，它們的光也就無法再傳到地球，完全消失在視野之外。最後，銀河係就成了宇宙中真正的孤家寡人了（注）。

當然，這是很就很久以後的事情。