無(wú)形的上帝之手推動(dòng)宇宙加速膨脹

2011年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布：來(lái)自美國(guó)和澳大利亞的三位物理學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們分別是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校天體物理學(xué)家薩爾·珀?duì)栺R特、美國(guó)/澳大利亞物理學(xué)家布萊恩·施密特以及美國(guó)科學(xué)家亞當(dāng)·里斯。三位物理學(xué)家通過(guò)對(duì)超新星的研究發(fā)現(xiàn)我們的宇宙正在加速膨脹，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)天文學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。宇宙加速膨脹現(xiàn)象改變了以前的宇宙學(xué)理論，為宇宙學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了新的線(xiàn)索。借此機(jī)會(huì)，我們來(lái)回顧一下人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)過(guò)程。

早期人們通過(guò)對(duì)天體的觀測(cè)，形成了有限宇宙論，他們認(rèn)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(rèn)為在這個(gè)有限的宇宙中，地球處于一個(gè)特殊的位置，即宇宙的中心。而哥白尼則堅(jiān)持太陽(yáng)是宇宙的中心。無(wú)論誰(shuí)是宇宙的中心，古人認(rèn)為宇宙是有中心的一個(gè)有限的空間，而宇宙之外則是虛無(wú)。

1684年，牛頓建立了萬(wàn)有引力定律。這個(gè)定律告訴我們?nèi)魏蝺蓚€(gè)有質(zhì)量的物體間都存在著一種相互吸引的力，這個(gè)力稱(chēng)為萬(wàn)有引力。在萬(wàn)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(huì)受到內(nèi)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(wú)限宇宙論。

1856年，克勞修斯通過(guò)對(duì)熱力學(xué)第二定律的研究提出“熵”的概念，熵描述的是系統(tǒng)的無(wú)序程度。將一滴墨水滴到一杯清水中，結(jié)果是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后整杯水都變成了黑的。這就是說(shuō)自發(fā)的物理過(guò)程總是向系統(tǒng)的最大無(wú)序度——熵的最大值的狀態(tài)發(fā)展。在熱力學(xué)過(guò)程中，系統(tǒng)最終會(huì)達(dá)到熱力學(xué)平衡，此時(shí)系統(tǒng)的熵也是最大的。物理系統(tǒng)這種趨向一致平衡的現(xiàn)象，可以描述為熵增原理。1865年，克勞修斯將熵增原理應(yīng)用于宇宙學(xué)，提出“宇宙的熵力圖達(dá)到最大的值”。那樣的宇宙將處于溫度相同的熱平衡狀態(tài)，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(nèi)部的溫度可以達(dá)到幾千萬(wàn)度，而宇宙空間溫度接近絕對(duì)零度。這樣大的溫度差異告訴我們，宇宙不可能存在無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，即我們的宇宙有一個(gè)時(shí)間的起點(diǎn)。

1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》，對(duì)廣義相對(duì)論的研究作了全面的總結(jié)，標(biāo)志著廣義相對(duì)論的建立。廣義相對(duì)論描述了大質(zhì)量物體間的相互作用，很自然地人們將廣義相對(duì)論應(yīng)用于宇宙學(xué)，得到了廣義相對(duì)論下的宇宙學(xué)模型。愛(ài)因斯坦的宇宙學(xué)模型避免了宇宙的塌縮，又去除了無(wú)限宇宙的概念。

1929年美國(guó)著名天文學(xué)家埃德溫·哈勃利用加利福尼亞威爾遜山天文臺(tái)的天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系比近的星系更紅。光譜紅移說(shuō)明了星系相對(duì)地球的退行速度，利用多年的觀察結(jié)果，哈勃發(fā)現(xiàn)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(shù)，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(shí)間箭頭往回走，我們會(huì)看到膨脹的反過(guò)程，即宇宙的收縮。在很遠(yuǎn)的過(guò)去，所有的星系應(yīng)該距離很近。根據(jù)引力理論，距離很近的物體引力一定很大。所以，在宇宙遙遠(yuǎn)的過(guò)去，宇宙的物質(zhì)應(yīng)該聚集在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，準(zhǔn)確說(shuō)是一個(gè)幾何的點(diǎn)。我們的宇宙起源于—個(gè)點(diǎn)的宇宙學(xué)模型，稱(chēng)為大爆炸理論。大爆炸理論預(yù)言我們的宇宙有一個(gè)時(shí)間的起點(diǎn)，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(xiàn)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(tài)，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(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)微波接收器發(fā)現(xiàn)了宇宙的這種背景輻射，不過(guò)這種輻射頻率已經(jīng)降低到微波波段，稱(chēng)為微波背景輻射。微波背景輻射對(duì)應(yīng)的黑體輻射溫度大約為2.7K左右。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)成為宇宙大爆炸理論很好的證據(jù)，彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1998年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校天體物理學(xué)家薩爾-珀?duì)栺R特、美國(guó)，澳大利亞物理學(xué)家布萊恩·施密特分別領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)小組通過(guò)對(duì)Ia型超新星進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，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(jiǎng)的頒發(fā)再一次引起了我們普通人對(duì)于宇宙命運(yùn)的關(guān)注和思考，暗物質(zhì)和暗能量也成為物理學(xué)家研究的重點(diǎn)。我們期待著物理學(xué)理論的突破，這樣我們就可以更加深入地認(rèn)識(shí)自然、認(rèn)識(shí)宇宙。

(作者單位河北省故城縣鄭口中學(xué))