宇宙膨脹加速 宇宙本身就無限加速膨脹是什么意思看物理學(xué)家扯蛋

2011-10-06 21:41?來源 西部網(wǎng)

　　科學(xué)家說宇宙膨脹加速，很看不懂，宇宙本身就無限加速膨脹是什么意思？還有網(wǎng)友在問：如果宇宙有限的話，宇宙放在哪里？如果宇宙本就是無限的話，它還怎么膨脹？往哪里膨脹？看物理學(xué)家扯蛋吧，這個東西太難懂了。

　　估計(jì)看完科學(xué)家的種種扯蛋，還是不懂，反正我是沒有看懂宇宙膨脹加速是什么意思，你看懂了就告訴我宇宙到底往哪里膨脹。

　　宇宙的膨脹始于140億年前的大爆炸，但在最初幾十億年里，宇宙膨脹的速度是越來越慢的。但最終，它開始加速膨脹。這種加速被認(rèn)為是由暗能量驅(qū)動的，這種暗能量起初只占宇宙的一小部分。但隨著物質(zhì)在宇宙膨脹過程中逐漸稀釋，暗能量變得越來越顯著。

　　寫在恒星之中：“有人說世界將終結(jié)于烈火，有人說將終結(jié)于寒冰……”

　　宇宙最終的命運(yùn)是什么？或許它將終結(jié)于寒冰，如果我們打算相信今年的諾貝爾物理學(xué)獎的話。他們已經(jīng)仔細(xì)研究了幾十顆遙遠(yuǎn)星系之中被稱為“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨脹的結(jié)論。

　　即便是對這些獲獎?wù)叨裕@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也完全出乎他們的意料。他們看到的現(xiàn)象，就好比是把一個小球拋向了空中，卻沒有看到它落回來，反倒看著它越來越快地上升，最終消失在了空中，仿佛引力無法逆轉(zhuǎn)小球上升的軌跡一般。類似的事情似乎發(fā)生在整個宇宙當(dāng)中。

　　宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊(yùn)藏于空間結(jié)構(gòu)中的某種未知能量的推動下，宇宙正在分崩離析。這種所謂的“暗能量”（dark energy）占據(jù)了宇宙成分的絕大部分，含量超過70%。它的本質(zhì)仍然是謎，或許是今天的物理學(xué)面臨的最大謎題。所以難怪，當(dāng)兩個不同的研究團(tuán)隊(duì)在1998年公布相似的結(jié)果時，宇宙學(xué)的根基被撼動了。

　　索爾?佩爾穆特（Saul Perlmutter）領(lǐng)導(dǎo)著其中一個團(tuán)隊(duì)，即1988年啟動的“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”（Supernova Cosmology Project）。布萊恩?施密特（Brian Schmidt）領(lǐng)導(dǎo)著另一個團(tuán)隊(duì)，即1994年啟動的“高紅移超新星研究組”（High-z Supernova Search Team）展開競爭，亞當(dāng)?里斯（Adam Riess）在其中起到了至關(guān)重要的作用。

　　兩個研究團(tuán)隊(duì)通過尋找遙遠(yuǎn)空間中爆發(fā)的超新星，展開了繪制宇宙“地圖”的競賽。通過確定這些超新星的距離和它們離我們而去的速度，科學(xué)家希望能夠揭開我們宇宙的最終命運(yùn)。他們本來以為，自己會發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在減速的跡象，這種減速將決定宇宙會終結(jié)于烈火還是寒冰。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了完全相反的事實(shí)——宇宙膨脹正在加速。

超新星——宇宙新標(biāo)尺

　　當(dāng)愛因斯坦放棄宇宙學(xué)常數(shù)，轉(zhuǎn)而向非靜態(tài)宇宙觀點(diǎn)投誠時，他把宇宙的幾何形狀同宇宙的命運(yùn)聯(lián)系了起來。宇宙到底是開放的、閉合的，還是介于兩者之間——是平坦的呢？

　　開放的宇宙，指的是物質(zhì)引力不足以阻止宇宙膨脹。這樣的話，所有物質(zhì)都會在一個越來越大、越來越冷、越來越空曠的空間中不斷稀釋下去。閉合的宇宙則剛好相反，引力強(qiáng)大的足以停止甚至逆轉(zhuǎn)宇宙的膨脹。這樣的話，宇宙最終會停止膨脹，然后坍縮回來，在一場熾熱而劇烈的大擠壓（Big Crunch）中終結(jié)。然而，大多數(shù)宇宙學(xué)家都更喜歡生活在一個最簡單、數(shù)學(xué)上也最優(yōu)雅的宇宙之中——這就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨脹會越來越慢。因此，宇宙最終不是會終結(jié)于烈火，就是會終結(jié)于寒冰。這是我們無法選擇的事情。如果存在宇宙學(xué)常數(shù)，那么膨脹就將持續(xù)加速，哪怕宇宙是平坦的。

　　今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者當(dāng)年認(rèn)為，他們會測量到宇宙減速膨脹，測量出宇宙膨脹的速度是如何減慢的。他們采用的方法，從原理上講，跟60多年前天文學(xué)家所用的方法是一樣的——那就是給遙遠(yuǎn)的恒星定位，并測量它們?nèi)绾芜\(yùn)動。然而，說起來容易做起來難。自漢麗埃塔?勒維特發(fā)現(xiàn)造父變星的秘密以來，天文學(xué)家在越來越遠(yuǎn)的距離上找到了許多其他的造父變星。但在天文學(xué)家所要測量的距離上，即數(shù)十億光年以外，造父變星已經(jīng)無法看見。宇宙標(biāo)尺必須延長才行。

　　超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的標(biāo)準(zhǔn)燭光。地面和太空中越來越先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，以及越來越強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在20世紀(jì)90年代開啟了全新的可能性，讓天文學(xué)家有能力為宇宙學(xué)拼圖填上更多空缺的內(nèi)容。其中最關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)步，則是光敏數(shù)碼成像傳感器CCD的發(fā)明——發(fā)明者威廉?波義耳（Willard Boyle）和喬治?史密斯（George Smith）因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎。

　　白矮星爆炸

　　天文學(xué)家工具箱中的最新工具，是一類特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短幾星期之內(nèi)，單單一顆這樣的超新星發(fā)出的光足以與整個星系相抗衡。這類超新星是白矮星（white dwarf）爆炸的結(jié)果——這種超致密老年恒星像太陽一樣重，卻只有地球這么大。這種爆炸是白矮星生命循環(huán)中的最后一步。

　　白矮星是一顆恒星核心處無法提供更多能量時形成的，因?yàn)樗械臍浜秃ざ家呀?jīng)在核反應(yīng)中耗盡了，只剩下了碳和氧。通過同樣的方式，在久遠(yuǎn)的未來，我們的太陽也會變成一顆白矮星，最終變得越來越暗，越來越冷。

　　如果一顆白矮星處在一個雙星系統(tǒng)之中（這是相當(dāng)常見的），那么就會有更令人激動的結(jié)局在等待著它。在這種情況下，白矮星強(qiáng)大的引力會從它的伴星身上搶奪氣體。然而，一旦白矮星超過1.4倍太陽質(zhì)量，它就再也無法維持下去了。此時，白矮星內(nèi)部會變得足夠熾熱，啟動一場失控的核聚變反應(yīng)，整個恒星會在幾秒鐘內(nèi)被炸得粉身碎骨。

　　這些核聚變產(chǎn)物會釋放出強(qiáng)烈的輻射，在爆炸之后的最初幾星期內(nèi)迅速增亮，直到隨后的幾個月內(nèi)才逐漸變暗。因此，發(fā)現(xiàn)這些超新星必須要快，因?yàn)樗鼈儎×业谋l(fā)相當(dāng)短暫。在整個可觀測宇宙之中，平均每分鐘大約爆發(fā)10顆Ia型超新星。但宇宙實(shí)在太過巨大。一個典型的星系平均每1000年才會出現(xiàn)一到兩顆超新星爆發(fā)。2011年9月，我們很幸運(yùn)地在北斗七星附近的一個星系中觀測到了這樣一顆超新星爆發(fā)，通過一副普通的雙筒望遠(yuǎn)鏡就能夠看到。但大多數(shù)超新星離我們要遙遠(yuǎn)得多，因而也暗淡得多。那么，面對這么大一片天空，我們究竟應(yīng)該在什么時間往哪里看呢？

　　令人震驚的結(jié)論

　　兩個相互競爭的研究團(tuán)隊(duì)都知道，他們必須徹查整個天空，來尋找遙遠(yuǎn)的超新星。訣竅就在于，比較同樣的一小塊天空拍攝于不同時間的兩張照片。這一小塊天空的大小，就相當(dāng)于你伸直手臂時看到的指甲蓋大小。第一張照片必須在新月之后拍攝，第二張照片則要在3個星期之后，搶在月光把星光淹沒之前拍攝。接下來，兩張照片就可以拿來比對，希望能夠從中發(fā)現(xiàn)一個小小光點(diǎn)，即CCD圖像中的一個像素——這有可能就是遙遠(yuǎn)星系中爆發(fā)了一顆超新星的標(biāo)志。只有距離超過可觀測宇宙半徑1/3的超新星才是可用的，這樣做是為了消除近距離星系自身運(yùn)動而帶來的干擾。

　　研究人員還有許多其他難題需要應(yīng)對。Ia型超新星似乎并不像人們一開始認(rèn)為的那樣可靠——最明亮的超新星爆發(fā)亮度衰減的速度要更慢一些。此外，超新星的亮度還必須扣除它們所在星系的背景亮度。另一個重要任務(wù)是獲得修正亮度。我們和那些恒星之間的星系際塵埃會改變星光。在計(jì)算超新星最大亮度時，這些因素對結(jié)果都會有影響。

　　追蹤超新星挑戰(zhàn)的不只是科學(xué)和技術(shù)的極限，更是統(tǒng)籌安排的極限。首先，正確類型的超新星必須要被找到。其次，它的紅移和亮度必須要被測量出來。亮度隨時間變化的光變曲線必須接受分析，以便能夠?qū)⑺c其他類型相同、距離已知的超新星作比較。這就要求科學(xué)家構(gòu)成的工作網(wǎng)絡(luò)能夠迅速判斷某一顆恒星是否值得列入候選進(jìn)行觀測。他們必須能夠在不同的望遠(yuǎn)鏡之間切換，毫無延遲地獲得一臺望遠(yuǎn)鏡的觀測時間，而申請觀測時間的過程通常需要花上幾個月時間。他們還必須迅速行動，因?yàn)槌滦呛芸炀蜁儼怠Ｓ袝r候，這兩個相互競爭的研究團(tuán)隊(duì)還會悄悄“撞車”。

　　這條研究道路上存在太多潛在的陷阱，事實(shí)上令這些科學(xué)家能夠放下心來的原因在于，他們得出了驚人但卻相同的結(jié)果：總的來說，他們發(fā)現(xiàn)了大約50顆遙遠(yuǎn)的超新星，它們的星光似乎比預(yù)期的要暗。這一結(jié)果與科學(xué)家事先的預(yù)期完全相反。如果宇宙膨脹越來越慢的話，超新星應(yīng)該顯得更亮才對。然而，隨著超新星被所在星系裹挾著，以越來越快的速度相互遠(yuǎn)離，它們的亮度也會越來越暗。他們得出的結(jié)論出人意料：宇宙膨脹非但沒有越來越慢，反而恰恰相反——宇宙膨脹在加速。

　　貓眼星云

　　從現(xiàn)在到永恒

　　那么，是什么在加速宇宙膨脹呢？這種神秘力量被稱為暗能量，它向物理學(xué)提出了一大挑戰(zhàn)，至今無人能夠破解這一謎題。科學(xué)家已經(jīng)提出了若干想法。最簡單的辦法，就是重新引入愛因斯坦一度放棄的宇宙學(xué)常數(shù)。當(dāng)年愛因斯坦加入宇宙學(xué)常數(shù)的目的，是為了引入一種能夠與物質(zhì)之間的引力相抗衡的斥力，從而創(chuàng)造出一個靜態(tài)的宇宙。如今，宇宙學(xué)常數(shù)卻似乎在加速宇宙的膨脹。

　　宇宙學(xué)常數(shù)當(dāng)然是個常數(shù)，是一個不隨時間變化的參數(shù)。因此，隨著物質(zhì)在宇宙幾十億年來的膨脹過程中逐漸被稀釋，物質(zhì)的引力也會越來越弱，暗能量就會逐漸占據(jù)上風(fēng)。按照科學(xué)家的說法，這可以解釋為什么宇宙學(xué)常數(shù)直到宇宙歷史中相當(dāng)晚的一個時期，也就是五六十億年前，才逐漸開始發(fā)揮作用。大約在那一時期，物質(zhì)的引力減到了比宇宙學(xué)常數(shù)還弱的地步。而在那一時期之前，宇宙的膨脹確實(shí)是一直在減速。

　　宇宙學(xué)常數(shù)可能源自于真空，按照量子物理學(xué)的觀點(diǎn)，真空從來就沒有真的空過。相反，真空是一鍋不斷翻滾的量子湯，正反物質(zhì)的虛粒子不斷產(chǎn)生又不斷消失，從而產(chǎn)生出能量。然而，對暗能量數(shù)量最簡單的估算，與空間中測量到的暗能量數(shù)量卻完全不符，足足大了大約10^120倍（1后面跟120個零）。這成了橫亙在理論與觀測之間的一條至今無解的巨大鴻溝——要知道，地球上所有海灘上的沙粒加在一起，也不過只有10^20（1后面跟20個零）。

　　也許，暗能量根本就不是常數(shù)。或許它會隨時間變化。或許一種未知的力場只是偶爾產(chǎn)生了暗能量。在物理學(xué)上，許多這樣的力場被統(tǒng)稱為“精質(zhì)”（quintessence），得名于希臘文的“第五元素”。精質(zhì)可以加速宇宙膨脹，但只是有時候如此。這樣一來，預(yù)言宇宙最終命運(yùn)就成了一件不可能完成的事情。

　　不管暗能量是什么，它似乎都會繼續(xù)長期存在下去。它與物理學(xué)家和天文學(xué)家研究了很長時間的宇宙學(xué)謎題符合得非常完美。按照現(xiàn)在公認(rèn)的觀點(diǎn)，宇宙大約有3/4由暗能量構(gòu)成。剩余的是物質(zhì)。但普通物質(zhì)，也就是構(gòu)成星系、恒星、人類和花花草草的東西，只占宇宙成分的5%。其他物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)，至今仍在跟我們“躲貓貓”。

　　暗物質(zhì)是我們大都未知的宇宙中另一個迄今未解的謎題。與暗能量一樣，暗物質(zhì)也是不可見的。對于這兩樣?xùn)|西，我們只知道它們發(fā)揮的作用—— 一個是推，另一個是拉。名字前面那個“暗”字，是它們唯一的共同點(diǎn)。

　　因此，2011年諾貝爾物理學(xué)獎的發(fā)現(xiàn)，向科學(xué)界揭露了一個95%的成分仍然未知的宇宙。現(xiàn)在，一切又皆有可能了。

編輯： 溫州視線