無形的上帝之手推動宇宙加速膨脹

2011年10月4日，瑞典皇家科學院宣布：來自美國和澳大利亞的三位物理學家獲得諾貝爾物理學獎。他們分別是美國加州大學伯克利分校天體物理學家薩爾·珀爾馬特、美國/澳大利亞物理學家布萊恩·施密特以及美國科學家亞當·里斯。三位物理學家通過對超新星的研究發現我們的宇宙正在加速膨脹，這個發現對天文學的發展產生了重大的影響。宇宙加速膨脹現象改變了以前的宇宙學理論，為宇宙學的發展帶來了新的線索。借此機會，我們來回顧一下人們對宇宙的認識過程。

早期人們通過對天體的觀測，形成了有限宇宙論，他們認為宇宙的最外圍是恒星天，恒星是靜止的、永恒的存在。亞里士多德和托勒密認為在這個有限的宇宙中，地球處于一個特殊的位置，即宇宙的中心。而哥白尼則堅持太陽是宇宙的中心。無論誰是宇宙的中心，古人認為宇宙是有中心的一個有限的空間，而宇宙之外則是虛無。

1684年，牛頓建立了萬有引力定律。這個定律告訴我們任何兩個有質量的物體間都存在著一種相互吸引的力，這個力稱為萬有引力。在萬有引力的作用下，宇宙中的恒星是均勻分布的，每顆恒星都會受到內部和外部恒星的引力，這些引力相互抵消從而避免了宇宙塌縮。這就是牛頓的無限宇宙論。

1856年，克勞修斯通過對熱力學第二定律的研究提出“熵”的概念，熵描述的是系統的無序程度。將一滴墨水滴到一杯清水中，結果是經過一段時間后整杯水都變成了黑的。這就是說自發的物理過程總是向系統的最大無序度——熵的最大值的狀態發展。在熱力學過程中，系統最終會達到熱力學平衡，此時系統的熵也是最大的。物理系統這種趨向一致平衡的現象，可以描述為熵增原理。1865年，克勞修斯將熵增原理應用于宇宙學，提出“宇宙的熵力圖達到最大的值”。那樣的宇宙將處于溫度相同的熱平衡狀態，而我們今天的宇宙各處溫度存在很大的差異，比如，主序星內部的溫度可以達到幾千萬度，而宇宙空間溫度接近絕對零度。這樣大的溫度差異告訴我們，宇宙不可能存在無限長的時間，即我們的宇宙有一個時間的起點。

1916年，愛因斯坦發表了《廣義相對論基礎》，對廣義相對論的研究作了全面的總結，標志著廣義相對論的建立。廣義相對論描述了大質量物體間的相互作用，很自然地人們將廣義相對論應用于宇宙學，得到了廣義相對論下的宇宙學模型。愛因斯坦的宇宙學模型避免了宇宙的塌縮，又去除了無限宇宙的概念。

1929年美國著名天文學家埃德溫·哈勃利用加利福尼亞威爾遜山天文臺的天文望遠鏡發現，距離我們越遠的星系比近的星系更紅。光譜紅移說明了星系相對地球的退行速度，利用多年的觀察結果，哈勃發現星系的退行速度與星系到我們地球的距離成正比，即其中H為哈勃常數，這就是哈勃定理。哈勃定律告訴我們宇宙正在膨脹。

膨脹的宇宙告訴我們，如果沿著時間箭頭往回走，我們會看到膨脹的反過程，即宇宙的收縮。在很遠的過去，所有的星系應該距離很近。根據引力理論，距離很近的物體引力一定很大。所以，在宇宙遙遠的過去，宇宙的物質應該聚集在一個很小的范圍內，準確說是一個幾何的點。我們的宇宙起源于—個點的宇宙學模型，稱為大爆炸理論。大爆炸理論預言我們的宇宙有一個時間的起點，大約在140億年前。

如果我們的宇宙源于一次大爆炸，那么，我們現在的宇宙中是否還保留著那次大爆炸的痕跡呢?答案是肯定的。在大爆炸的初期，宇宙處于熱平衡狀態，隨著宇宙的膨脹，宇宙的溫度也在不斷降低，并最終成為宇宙的一種背景。

1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特-威爾遜利用貝爾實驗室的一臺微波接收器發現了宇宙的這種背景輻射，不過這種輻射頻率已經降低到微波波段，稱為微波背景輻射。微波背景輻射對應的黑體輻射溫度大約為2.7K左右。宇宙微波背景輻射的發現成為宇宙大爆炸理論很好的證據，彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年諾貝爾物理學獎。

1998年美國加州大學伯克利分校天體物理學家薩爾-珀爾馬特、美國，澳大利亞物理學家布萊恩·施密特分別領導的兩個小組通過對Ia型超新星進行觀測發現，我們的宇宙是加速膨脹的。我們的宇宙除了我們熟悉的引力之外，還存在著我們不知道的某種斥力的作用，正是這種斥力的作用在加速我們的宇宙膨脹。

2011年諾貝爾獎的頒發再一次引起了我們普通人對于宇宙命運的關注和思考，暗物質和暗能量也成為物理學家研究的重點。我們期待著物理學理論的突破，這樣我們就可以更加深入地認識自然、認識宇宙。

(作者單位河北省故城縣鄭口中學)