宇宙膨脹正在加速

　　宇宙在“大爆炸”中誕生，但會往何處去呢？獲得2011年諾貝爾物理學獎的美、澳三位天體物理學家，通過對超新星的觀測給出了答案：宇宙膨脹不斷加速，而且逐漸變冷。這個發現，被瑞典皇家科學院稱為“震動了宇宙學的基礎”。為什么說此發現意義如此重大呢？我們還是先從人們對宇宙的認識說起。
　　
　　宇宙原來不是無限的，時空也不是永恒的
　　
　　20世紀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？”科學家都無法回答。因為直到那時，科學家運用牛頓力學考察宇宙，得出的科學結論是：“我們的宇宙無論是時間還是空間都是永恒的、無限的。我們的時空沒有起點，也沒有終了。”這就是距今不到百年前的科學宇宙觀。
　　1929年，美國天文學家哈勃（1889～1953）根據觀測發現星系距離的遠近和星系譜線紅移的大小成正比，即星系距離越遠，它們四向退行的速度越大。后人將觀測到的這一天象稱為“哈勃定律”。哈勃定律顯示的就是宇宙的時空整體在四向膨脹。宇宙既然在膨脹，必然有膨脹的起點，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，而是演化的和動態的。這一來，完全顛覆了傳統的奉為經典的宇宙觀。
　　宇宙膨脹的發現、取證和確認，被認為是20世紀最重要的、意義深遠的天文進展和成就，它改變了世人和公眾對宇宙面貌和本原的認知和理解。
　　
　　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，如果宇宙確實在膨脹，為何感知不到月球、火星、木星、太陽在遠離地球而去，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：宇宙為什么會膨脹？膨脹之力來自何方？宇宙未來的命運會是什么？
　　關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2011年最新修訂的測定值是：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域內，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。在這樣小的空間范圍，當然察覺不出“宇宙膨脹”。不僅如此，即便在太陽系到銀河系的兩個伴星系（大麥哲倫云和小麥哲倫云）的50～60萬光年的空間領域，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動速度而不易察覺。只有當宇宙的空間尺度遠大于幾百萬光年的前提下，宇宙的膨脹才顯現，并成為宇宙大尺度結構的最主要特征。
　　
　　宇宙一直膨脹下去嗎？
　　
　　哈勃自從確認星系的普遍紅移現象并建立了哈勃定律之后，隨即和他的科研同仁持續地探究：在更深遠的空間，哈勃定律是否繼續有效？膨脹速率是恒定的嗎？會不會減速？
　　20世紀下半葉，隨著更多的大型光學望遠鏡的興建問世，科學家繼續向更深遠的天際進軍，將探究的距離擴展到40～50億光年的遠處。結果發現，哈勃定律仍然有效，宇宙依舊穩步地四向膨脹。進入80年代，隨著科技的進步，一批口徑8～10級的巨型光學望遠鏡的陸續落成，觀天、新型探測器件取代了經典的照相手段、以及計算機在天文觀測和數據處理的廣泛運用，宇宙的大尺度結構的探索已向50億光年以遠的更遠處進發。
　　
　　選好“量天尺”
　　
　　不少公眾都知道，“光年”是天文學中一種長度計量單位。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。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量的？
　　首先一定要搞明白“光度”和“亮度”這兩個內涵不同的詞。光度是發光體本身固有的發光本領。例如，一個100瓦的燈泡，它的光度就是100瓦。亮度則是觀測者看上去的明亮程度，與發光體的距離有關。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。根據物理知識——亮度和距離的平方成反比，這樣，距離遠了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處，只需測定它的亮度，就能依據“距離平方的反比”定則，準確推算出遠處燈泡的距離。我們可以將已知光度的燈泡稱為一個“標準燭光”。天文學家領悟到可以運用類似的“標準燭光”方法去測定天體之間的距離。然而，在茫茫宇宙中，能夠成為“標準燭光”的天體是什么？
　　
　　探測深空的“量天尺”—— Ia 型超新星
　　
　　現代天體物理學已知，宇宙中發射最強光度的單個天體是超新星爆發；它的光強足以貫穿幾十億、上百億的遼闊空間；此外，還知道超新星爆發是恒星演化終端走向消亡的一種表現形式。超新星爆發前的前身天體有兩類，其一是由兩個恒星組成的雙星，由于彼此距離近，以至于呈現物質交流，遂稱為“密近雙星”。當雙星中的一個已演化成白矮星，此時如果受到其伴星的物質以股流形式高速投入，這個白矮星則因結構失衡，突然整體爆發毀滅，成為光度超強的超新星。按照分類，它們稱為 I 型。早在30年代，已確認一個穩定的白矮星的質量上限是 1.4個太陽質量（此項天體物理成就獲得1983年諾貝爾物理學獎）。因此得知，I 型超新星的前身是個 1.4 個太陽質量的白矮星。根據天文學中的質量－光度關系，知道了質量，也就準確地知道了光度。到20世紀末，又進一步得知，I型超新星中有一個次型Ia型，其光度的均勻性更好。這樣，天文學家終于獲得了新的“標準光源” ——Ia 型超新星，一款適合測量深空距離的“量天尺”。
　　
　　深空超新星巡天的重大發現——暗能量
　　
　　1994～1995年，2～3個國際科研小組，在天體物理學家珀爾馬特、施密特和里斯（如圖）等首席科學家的主持下，申請到 8～10米級巨型光學望遠鏡和哈勃空間望遠鏡的支持，遂啟動各自的“深空超新星巡天”探測課題，目標之一即是借助 Ia 型超新星“量天尺”探究50～60億光年以遠、前人知之甚少的宇宙膨脹動向。
　　超新星是恒星世界罕見的天象，一個正常星系，例如，銀河系平均要上千年才有一次超新星爆發，而且還不一定是 I型。可是，如果探測和巡視的對象同時為10萬個、百萬個星系，那么正好捕捉到較為短暫的爆發進程就不再罕見。
　　當最初觀測到幾個遙遠的Ia型爆發事件后，他們驚奇地發現，已知光度的Ia型的亮度比在哈勃定律預期的距離處應有的亮度暗些，如果觀測和數據處理均正確無誤，合理的解釋就該是它們的距離比預期的更遠，退行的速度比預期更大。這一現象在50～60億光年距離更遠的大宇宙深空開始呈現，而且距離越遠，亮度變暗的程度越大。歷經幾年的巡天搜索，累積到的深空Ia 型超新星爆發樣本的總數已達幾十個之多。在遙遠的深空，宇宙膨脹正在加速的發現已是不容爭辯的事實。這大大地超乎預期。不少人曾推測，宇宙物質具有的引力最終會超過宇宙膨脹之力，致使膨脹終止，轉為宇宙收縮。因此，當21世紀之初，宇宙膨脹在加速的天文發現公之于世后，震驚了科技界，乃至全社會。人們驚奇地得知，在大宇宙中，除了有與宇宙物質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，根據已取得宇宙膨脹加速的資料和數據推算得知：在宇宙中，對其本原和真相知之甚少的“暗能量”竟占宇宙物質總量的 73 %。也就是說，人們在此之前竟然對宇宙組成中的 3/4全然不知不曉。就此還可推測，如果在今后深入探究中，宇宙確實按現在已探測到的加速膨脹，再過上千億年，那時，一切核聚變的產能活動全都將息止，物質密度小到接近“真空”，我們宇宙的命運將是“寂靜”、“寒冷”和“無”。
　　如今“暗能量”已成為物理學界的一個關注熱點和議題，必然會推動和影響今后宇宙學，乃至物理學的發展和進步。可以認為，“宇宙膨脹的加速”和“暗能量”的發現是繼“宇宙膨脹”和“膨脹的宇宙”確認之后，迄今又一可與之并論的最重大天文貢獻。發現“宇宙膨脹正在加速”的三位首席天體物理學家共同被授予2011年諾貝爾物理學獎，以表彰“深空超新星巡天”科研課題取得的成就，當在意料 之中。
　　【責任編輯】蒲暉