宇宙：加速走向冰冷與死寂

　　2011年10月4日，瑞典斯德哥爾摩，“諾貝爾獎”評定委員會發布會上，大屏幕上顯示著3位獲得“物理學獎“的科學家的照片，他們通過對超新星的觀測而得出結論：宇宙膨脹不斷加速，而且逐漸變冷。
　　上個世紀很長一段時間，科學家們認為，宇宙始于一場140億年前的大爆炸，此后就不斷膨脹，而根據廣義相對論，物質間存在萬有引力作用，宇宙的膨脹不會一直持續，將不斷減速。然而，3位“諾貝爾物理學獎”得主在十幾年前公布的觀測結論，“震動了宇宙學的基礎”（評價出自瑞典皇家科學院）。
　　這意味著什么？
　　有科學家說，隨著宇宙的持續加速膨脹，天體遠離速度不斷加速，遙遠的宇宙將會變得越來越黑暗、越來越冷，最終將變成無比寒冷的世界，“毀滅于冰”。
　　但沒人知道，這一天會在何時。甚至，也沒人知道現在的加速膨脹會不會一直持續。所以也有人認為，未來某天宇宙會減慢膨脹直至重新收縮，恢復到最初的狀態，新一輪大爆炸又會來臨。那么宇宙的命運將截然不同，“毀滅于火”。
　　是冰還是火？科學家們還在探索……
　　“超亮”的超新星
　　此次獲獎的3位科學家是美國加州大學伯克利分校教授索爾·佩爾馬特，出生于美國而擁有美、澳雙重國籍的澳大利亞國立大學教授布萊恩·施密特，以及美國約翰斯·霍普金斯大學教授亞當·里斯，他們分屬于兩個不同的研究小組，但都把目光鎖定Ia型超新星。
　　要理解2011年“諾貝爾物理學獎”3位獲得者的研究，首先得明白他們共同的研究對象。國家天文臺宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家陳學雷告訴《羊城晚報》記者，超新星的概念是1934年由茨維基和巴德提出的，他們猜測當一些恒星壽命結束時將會塌縮然后發生爆炸，其亮度可達到10億甚至100億個太陽的亮度。后來的研究發現，還有另一種爆炸機理不同的超新星，現在一般認為是白矮星（質量比較低的恒星，比如太陽在燃盡核燃料后就會變成白矮星）從其伴星中吸積物質，到一定程度后發生核爆炸，被稱為Ia型超新星。
　　“超新星很亮，可以在宇宙中很遠的地方看到。”陳學雷說，由于白矮星的質量都差不多，科學家便假定其爆炸時的亮度也差不多，既然所有的Ia型超新星光度相等，那么根據一顆Ia超新星的視亮度，就可以推測它到我們的距離。就好比一枝蠟燭，離我們近看上去亮，離我們遠看上去暗，觀測它的亮度就可計算蠟燭距我們的距離。
　　科學家們還發現，當光源離我們而去時，光頻率變低，光譜線向紅端偏移，并且離去速度越大紅移量越大，這就是天文物理中的“紅移”現象。科學家可以通過觀測超新星的光譜，從中測出超新星的“紅移”，就可知超新星離開我們的速度如何。就像佩爾·馬特接受采訪時所說：“這些光線看起來有多紅就告訴了你，自這個超新星爆炸以來宇宙究竟膨脹了多少。觀測不同的超新星，你就能夠確定出50億年、30億年或者10億年前宇宙有多大，由此就能確定出宇宙是如何隨著時間而膨脹的。”
　　完全相反的事實
　　1929年，美國天文學家哈勃首先發現了星體間距離不斷變大的現象，證實了宇宙膨脹理論。主流學界認為，宇宙誕生于約140億年前的一次大爆炸，大爆炸之后宇宙開始不斷膨脹。根據廣義相對論，物質間存在萬有引力作用，宇宙的膨脹不會一直持續，將不斷減速。
　　起初，佩爾馬特和施密特各自領導的研究小組也以為會發現宇宙膨脹正在減速的跡象。但到了1997年下半年，他們開始發現，高紅移的超新星比他們原來預期的要暗。如果宇宙膨脹越來越慢的話，超新星應該顯得更亮才對。
　　發現完全出乎他們的意料，連他們自己一開始都懷疑自己收集的數據。這是一個完全相反的事實：宇宙膨脹正在加速。兩個小組經過反復檢查，于1998年1月幾乎同時公布了自己的觀測結果。
　　這一結果轟動了世界。宇宙的膨脹正在加速，意味著在蘊藏于空間結構中的某種未知能量的推動下，宇宙正在分崩離析。陳學雷說：“它撼動了宇宙學的基石。這就像是你往上扔一個皮球，結果發現皮球并未減速，卻加速向上飛去了！”
　　“雖然少數學者懷疑超新星的觀測或數據分析有錯誤，宇宙并未加速膨脹。但13年來科學家又觀測了許多超新星，目前總數有幾百顆，對其分析也更加深入，雖然還存在很多疑點，比如Ia型超新星爆炸的機理到底是什么，但數據本身經過許多不同的天文學家用不同方法的分析，迄今并未發現大問題。”陳學雷說。
　　暗能量的“斥力”讓宇宙加速膨脹
　　是什么讓宇宙膨脹加速的呢？
　　按照廣義相對論理論，如果宇宙由一般的“物質”（包括所謂的不發光的“暗物質”）組成，其膨脹會逐漸減速，這是萬有引力的作用，因為任何兩個物體都是相互吸引的，引力的大小跟這兩個物體的質量乘積成正比，跟它們的距離的二次方成反比。
　　如何解釋觀測到的宇宙膨脹加速呢？
　　“目前主流的解釋是引入‘暗能量’的概念。”陳學雷表示，暗能量實際上也是物質的一種形式，但具有很奇特的性質。比如，它的有效“壓強”小于0，這些壓強項使時空的彎曲與一般物質造成的時空彎曲相反，因此可以理解成是與萬有引力相對的“斥力”，可以導致宇宙加速膨脹。
　　據陳學雷介紹，科學家引入暗能量概念并不是無中生有，而是有一些證據證明它的存在。例如早在觀測結果公布之前，就有一些科學家根據宇宙年齡、物質密度和功率譜等因素考慮，認為宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景輻射、重子聲波振蕩等其他觀測也支持宇宙中存在暗能量的理論。
　　“根據現在對宇宙微波背景輻射、超新星等實驗數據的擬合表明，宇宙中大約75%是暗能量，21%左右是不發光的暗物質，我們熟悉的普通物質僅占4%多一點。”陳學雷表示，暗能量是大多數人所接受的模型，但它的本質仍然是謎。
　　命運之謎仍未知
　　宇宙加速膨脹又意味著什么？
　　陳學雷解釋，意味著那些遙遠的星系將加速遠離銀河系，如果不斷加速下去，它們的光將無法再傳到地球，完全消失于視野之外，最后銀河系就成了宇宙中真正的孤家寡人了。
　　不過，目前沒人知道現在的這次加速膨脹會不會一直持續。誠如佩爾馬特接受采訪時說：“應該記住，我們并不知道是什么導致了當前的加速……誰知道我們現在看到的加速是不是也會停止，然后宇宙開始坍縮。所以，我要說的是，除非我們搞清楚了宇宙加速膨脹的原因，否則宇宙的命運將始終是個未知的謎。”
　　國內學者的探索
　　2011年“諾貝爾物理學獎”的發現，向科學界揭露了一個近96%的成分仍然未知的宇宙，這些都是科學家正在不斷探索的奧秘。陳學雷說：“像國內一些天文學家結合我國實際，提出了一些未來的暗能量實驗觀測計劃，例如，在南極冰穹A（那里的觀測條件好）建造大型光學望遠鏡等。我也正在推動開展‘天籟計劃’研究，研制專用射電望遠鏡陣列進行巡天觀測，借此研究暗能量的性質。希望未來我國在此領域也能有重大發現。”
　　（摘自《羊城晚報》 作者：陳