宇宙膨脹正在加速

　　宇宙在“大爆炸”中誕生，但會(huì)往何處去呢？獲得2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的美、澳三位天體物理學(xué)家，通過對(duì)超新星的觀測(cè)給出了答案：宇宙膨脹不斷加速，而且逐漸變冷。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，被瑞典皇家科學(xué)院稱為“震動(dòng)了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)”。為什么說此發(fā)現(xiàn)意義如此重大呢？我們還是先從人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)說起。
　　
　　宇宙原來不是無限的，時(shí)空也不是永恒的
　　
　　20世紀(jì)20年代以前，如果有人提問：“我們的宇宙從何而來？又將走向何方？”科學(xué)家都無法回答。因?yàn)橹钡侥菚r(shí)，科學(xué)家運(yùn)用牛頓力學(xué)考察宇宙，得出的科學(xué)結(jié)論是：“我們的宇宙無論是時(shí)間還是空間都是永恒的、無限的。我們的時(shí)空沒有起點(diǎn)，也沒有終了?！边@就是距今不到百年前的科學(xué)宇宙觀。
　　1929年，美國天文學(xué)家哈勃（1889～1953）根據(jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)星系距離的遠(yuǎn)近和星系譜線紅移的大小成正比，即星系距離越遠(yuǎn)，它們四向退行的速度越大。后人將觀測(cè)到的這一天象稱為“哈勃定律”。哈勃定律顯示的就是宇宙的時(shí)空整體在四向膨脹。宇宙既然在膨脹，必然有膨脹的起點(diǎn)，所以，宇宙一定有誕生；既然有誕生，就一定有迄今為止的年齡，以及誕生之后，膨脹至今的大小領(lǐng)域，因此，宇宙不是無始無終的，不是無限的，而是有限的；既然有年齡，就必然有生老病死，所以宇宙就不是永恒的和寧靜的，而是演化的和動(dòng)態(tài)的。這一來，完全顛覆了傳統(tǒng)的奉為經(jīng)典的宇宙觀。
　　宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)、取證和確認(rèn)，被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的、意義深遠(yuǎn)的天文進(jìn)展和成就，它改變了世人和公眾對(duì)宇宙面貌和本原的認(rèn)知和理解。
　　
　　宇宙的膨脹起源于“大爆炸”
　　
　　自從得知“宇宙膨脹”這一新天象之后，有的公眾就問，如果宇宙確實(shí)在膨脹，為何感知不到月球、火星、木星、太陽在遠(yuǎn)離地球而去，也沒聽說太陽系在膨脹，銀河系在膨脹呢？如果再往下問就是：宇宙為什么會(huì)膨脹？膨脹之力來自何方？宇宙未來的命運(yùn)會(huì)是什么？
　　關(guān)于地球人為什么感覺不到“宇宙膨脹”的疑問，不難解答。宇宙膨脹的速率是多少呢？根據(jù)2011年最新修訂的測(cè)定值是：每300萬光年每秒 73.8 千米。就是說，在每300萬光年遼闊的空間領(lǐng)域內(nèi)，每秒的膨脹速率是 73.8千米。要知道地月距離才1光秒多，日地距離8光分多，太陽系“半徑”（太陽～海王星的距離）約5光時(shí)。在這樣小的空間范圍，當(dāng)然察覺不出“宇宙膨脹”。不僅如此，即便在太陽系到銀河系的兩個(gè)伴星系（大麥哲倫云和小麥哲倫云）的50～60萬光年的空間領(lǐng)域，以及地球到距離最近的大旋渦星系——仙女星系的約220萬光年的空間范圍，由于膨脹速率小于星系自身的空間運(yùn)動(dòng)速度而不易察覺。只有當(dāng)宇宙的空間尺度遠(yuǎn)大于幾百萬光年的前提下，宇宙的膨脹才顯現(xiàn)，并成為宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的最主要特征。
　　
　　宇宙一直膨脹下去嗎？
　　
　　哈勃自從確認(rèn)星系的普遍紅移現(xiàn)象并建立了哈勃定律之后，隨即和他的科研同仁持續(xù)地探究：在更深遠(yuǎn)的空間，哈勃定律是否繼續(xù)有效？膨脹速率是恒定的嗎？會(huì)不會(huì)減速？
　　20世紀(jì)下半葉，隨著更多的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的興建問世，科學(xué)家繼續(xù)向更深遠(yuǎn)的天際進(jìn)軍，將探究的距離擴(kuò)展到40～50億光年的遠(yuǎn)處。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，哈勃定律仍然有效，宇宙依舊穩(wěn)步地四向膨脹。進(jìn)入80年代，隨著科技的進(jìn)步，一批口徑8～10級(jí)的巨型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的陸續(xù)落成，觀天、新型探測(cè)器件取代了經(jīng)典的照相手段、以及計(jì)算機(jī)在天文觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理的廣泛運(yùn)用，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的探索已向50億光年以遠(yuǎn)的更遠(yuǎn)處進(jìn)發(fā)。
　　
　　選好“量天尺”
　　
　　不少公眾都知道，“光年”是天文學(xué)中一種長(zhǎng)度計(jì)量單位。在太陽系之外的星際空間，恒星之間的距離，通常以幾十、幾百、幾千光年為計(jì)。在銀河系之外的星系際空間的距離，近則幾百萬光年、上千萬光年，遠(yuǎn)則幾億、幾十億光年。人們不禁要問，如此遼闊的距離究竟是如何測(cè)量的？
　　首先一定要搞明白“光度”和“亮度”這兩個(gè)內(nèi)涵不同的詞。光度是發(fā)光體本身固有的發(fā)光本領(lǐng)。例如，一個(gè)100瓦的燈泡，它的光度就是100瓦。亮度則是觀測(cè)者看上去的明亮程度，與發(fā)光體的距離有關(guān)。100瓦的燈泡，放在距離10米處，看上去很亮；若改放在距離100米處，看上去就暗多了。根據(jù)物理知識(shí)——亮度和距離的平方成反比，這樣，距離遠(yuǎn)了10倍，亮度暗了100倍。距離100米處的100瓦燈泡，看上去亮度只有1瓦。這樣，在知道這只燈泡的光度確系100瓦的前提下，再將它置于還能看得見的遠(yuǎn)處，只需測(cè)定它的亮度，就能依據(jù)“距離平方的反比”定則，準(zhǔn)確推算出遠(yuǎn)處燈泡的距離。我們可以將已知光度的燈泡稱為一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。天文學(xué)家領(lǐng)悟到可以運(yùn)用類似的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”方法去測(cè)定天體之間的距離。然而，在茫茫宇宙中，能夠成為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的天體是什么？
　　
　　探測(cè)深空的“量天尺”—— Ia 型超新星
　　
　　現(xiàn)代天體物理學(xué)已知，宇宙中發(fā)射最強(qiáng)光度的單個(gè)天體是超新星爆發(fā)；它的光強(qiáng)足以貫穿幾十億、上百億的遼闊空間；此外，還知道超新星爆發(fā)是恒星演化終端走向消亡的一種表現(xiàn)形式。超新星爆發(fā)前的前身天體有兩類，其一是由兩個(gè)恒星組成的雙星，由于彼此距離近，以至于呈現(xiàn)物質(zhì)交流，遂稱為“密近雙星”。當(dāng)雙星中的一個(gè)已演化成白矮星，此時(shí)如果受到其伴星的物質(zhì)以股流形式高速投入，這個(gè)白矮星則因結(jié)構(gòu)失衡，突然整體爆發(fā)毀滅，成為光度超強(qiáng)的超新星。按照分類，它們稱為 I 型。早在30年代，已確認(rèn)一個(gè)穩(wěn)定的白矮星的質(zhì)量上限是 1.4個(gè)太陽質(zhì)量（此項(xiàng)天體物理成就獲得1983年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。因此得知，I 型超新星的前身是個(gè) 1.4 個(gè)太陽質(zhì)量的白矮星。根據(jù)天文學(xué)中的質(zhì)量－光度關(guān)系，知道了質(zhì)量，也就準(zhǔn)確地知道了光度。到20世紀(jì)末，又進(jìn)一步得知，I型超新星中有一個(gè)次型Ia型，其光度的均勻性更好。這樣，天文學(xué)家終于獲得了新的“標(biāo)準(zhǔn)光源” ——Ia 型超新星，一款適合測(cè)量深空距離的“量天尺”。
　　
　　深空超新星巡天的重大發(fā)現(xiàn)——暗能量
　　
　　1994～1995年，2～3個(gè)國際科研小組，在天體物理學(xué)家珀?duì)栺R特、施密特和里斯（如圖）等首席科學(xué)家的主持下，申請(qǐng)到 8～10米級(jí)巨型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的支持，遂啟動(dòng)各自的“深空超新星巡天”探測(cè)課題，目標(biāo)之一即是借助 Ia 型超新星“量天尺”探究50～60億光年以遠(yuǎn)、前人知之甚少的宇宙膨脹動(dòng)向。
　　超新星是恒星世界罕見的天象，一個(gè)正常星系，例如，銀河系平均要上千年才有一次超新星爆發(fā)，而且還不一定是 I型?？墒?，如果探測(cè)和巡視的對(duì)象同時(shí)為10萬個(gè)、百萬個(gè)星系，那么正好捕捉到較為短暫的爆發(fā)進(jìn)程就不再罕見。
　　當(dāng)最初觀測(cè)到幾個(gè)遙遠(yuǎn)的Ia型爆發(fā)事件后，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，已知光度的Ia型的亮度比在哈勃定律預(yù)期的距離處應(yīng)有的亮度暗些，如果觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理均正確無誤，合理的解釋就該是它們的距離比預(yù)期的更遠(yuǎn)，退行的速度比預(yù)期更大。這一現(xiàn)象在50～60億光年距離更遠(yuǎn)的大宇宙深空開始呈現(xiàn)，而且距離越遠(yuǎn)，亮度變暗的程度越大。歷經(jīng)幾年的巡天搜索，累積到的深空Ia 型超新星爆發(fā)樣本的總數(shù)已達(dá)幾十個(gè)之多。在遙遠(yuǎn)的深空，宇宙膨脹正在加速的發(fā)現(xiàn)已是不容爭(zhēng)辯的事實(shí)。這大大地超乎預(yù)期。不少人曾推測(cè)，宇宙物質(zhì)具有的引力最終會(huì)超過宇宙膨脹之力，致使膨脹終止，轉(zhuǎn)為宇宙收縮。因此，當(dāng)21世紀(jì)之初，宇宙膨脹在加速的天文發(fā)現(xiàn)公之于世后，震驚了科技界，乃至全社會(huì)。人們驚奇地得知，在大宇宙中，除了有與宇宙物質(zhì)同在的萬有引力和來自于“大爆炸”的膨脹之力外，還有一種前所未知的斥力性質(zhì)的神秘之力，在50～100億光年的大宇宙中逐漸顯示為最大的主力，姑且稱之為“暗能量”。
　　更令人稱奇的是，根據(jù)已取得宇宙膨脹加速的資料和數(shù)據(jù)推算得知：在宇宙中，對(duì)其本原和真相知之甚少的“暗能量”竟占宇宙物質(zhì)總量的 73 %。也就是說，人們?cè)诖酥熬谷粚?duì)宇宙組成中的 3/4全然不知不曉。就此還可推測(cè)，如果在今后深入探究中，宇宙確實(shí)按現(xiàn)在已探測(cè)到的加速膨脹，再過上千億年，那時(shí)，一切核聚變的產(chǎn)能活動(dòng)全都將息止，物質(zhì)密度小到接近“真空”，我們宇宙的命運(yùn)將是“寂靜”、“寒冷”和“無”。
　　如今“暗能量”已成為物理學(xué)界的一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)和議題，必然會(huì)推動(dòng)和影響今后宇宙學(xué)，乃至物理學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步。可以認(rèn)為，“宇宙膨脹的加速”和“暗能量”的發(fā)現(xiàn)是繼“宇宙膨脹”和“膨脹的宇宙”確認(rèn)之后，迄今又一可與之并論的最重大天文貢獻(xiàn)。發(fā)現(xiàn)“宇宙膨脹正在加速”的三位首席天體物理學(xué)家共同被授予2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰“深空超新星巡天”科研課題取得的成就，當(dāng)在意料 之中。
　　【責(zé)任編輯】蒲暉