宇宙加速膨胀

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天上的星星像什么[星星诉说的秘密]

“有人说世界将终结于熊熊烈火，有人说它将终结于凛凛

寒冰……”宇宙加速膨胀的发现让这些诺贝尔奖得主自己也大

吃一惊。他们观测到的现象，就像把一颗球抛到空中，结果发

现地球不但没掉回地面，甚至还以越来越快的速度消失在空

中，仿佛重力不足以扭转球的抛掷轨道。而整个宇宙目前的状

态正是如此。

宇宙膨胀的速度越来越快，这暗示整个太空结构中存在着

一股未知的能量，正将宇宙往四面八方推开。这股“能量”构

成宇宙的绝大部分，占了70％以上，而且神秘费解，称得上是

当今物理学领域中最大的谜团。因此，当1998年两个研究团队

分别做出类似的研究结果时，宇宙论深受撼动的程度也就不难

想象了。

这两个团队之一是“超新星宇宙学计划”研究团队，这项

计划当时已进行10年，早自1988年便开始了，计划主持人正

是萨尔・波尔马特。而布莱恩・施密特率领的则是另一个团

队，他们在1994年年底展开一项研究计划，与波尔马特的团队

互较高下。这项计划名为“高红移超新星搜寻团队”，而亚当-

里斯是其中一大功臣。

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这两个研究团队相互较劲，抢着早一步勾勒出宇宙的面

貌，他们用的方法是设法找到最遥远的超新星。所谓超新星，

即太空中爆炸的恒星，科学家想了解这些超新星和我们之间的

距离以及它们远离地球的速度，进一步窥探宇宙最终的命运。

这些科学家希望找到一些迹象，证明宇宙的扩张正在趋缓，也

就是冰与火最后将达到某种平衡。然而他们观测到的结果却恰

恰相反，他们发现宇宙竟然在加速膨胀中。

越来越大的宇宙

新的天文发现把旧有的宇宙观彻底颠覆，这已经不是史上

头一遭了。就在区区一个世纪以前，世人还认为宇宙平静安

详，且范围大约只有我们的银河系这么大，宇宙的钟也规律地

走着，永恒而不灭。然而这样的观点很快便彻底扭转。

20世纪初，美国天文学家亨丽爱塔・勒维特发现了一个测

量遥远恒星距离的方法。当时，女性天文学家不得使用大型望

远镜，却常被交派分析照相底片的麻烦差事，勒维特便因此观

察了数千个脉动的恒星，即“造父变星”。她发现恒星的光度

越高，脉动周期也就越长，便用这项原理算出了造父变星的本

质亮度。

而星星的亮度越小，就代表距离越远，因此只要知道某一

颗造父变星有多远，就能借以推算出其他造父变星的距离。从

此，一个可靠的标准烛光诞生了，天文学家有了造父变星的辅

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助，很快便了解到原来银河系只是一个星系，而宇宙中还有无

数个这样的星系。到了20世纪20年代，天文学家利用当时全

球第一大的美国加州威尔逊山望远镜进行观测，发现几乎所有

星系都正离我们远去。当时这些科学家正在研究光源远离时所

产生的一种“红移”现象，也就是当光线的波长被拉长，波长

越大，光的颜色便会越偏红色。这项研究的结论是，各星系距

离我们和距离彼此都越来越远，而且散得越远，移动的速度就

越快，这就是我们所知的哈勃定律。因此，我们的宇宙越来越

大了。

宇宙常数的建立和推翻

而这项太空观测成果之前早有理论预测了出来。1915年，

爱因斯坦发表了广义相对论，建构了我们今天的宇宙观。根据

这个理论，我们的宇宙不是在缩小就是在扩大。

这个令人不安的结论早在威尔逊山观测结果出炉前的10年

就已经出现。宇宙竟然不是静态的，这点连爱因斯坦自己也无

法释怀，因此为了避免得到宇宙正在膨胀的解，他在方程式中

加进一个常数，称之为“宇宙常数”。爱因斯坦后来认为，加

进这个宇宙常数是天大的错误。然而后来随着1997年和1998

年的观测结果(也就是本届诺贝尔奖所表扬的研究成果)出炉，

我们已经可以下结论：爱因斯坦提出的宇宙常数虽然出发点不

对，但确实是个了不起的见解。

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发现宇宙正在扩张是个划时代的里程碑，开创了现在大家

普遍相信的论点：宇宙是140亿年前大爆炸的产物。时间和空

间都始自大爆炸；而在那之后，宇宙便一直膨胀。如同蛋糕里

的葡萄干在烤箱中会不停膨胀一样，由于宇宙扩张，各星系之

间的距离也就日益增加了。但最后究竟会如何?

超新星――测量宇宙的新方法

爱因斯坦后来放弃了宇宙常数，臣服于“动态宇宙”的观

点。并指出宇宙的几何形状影射着它最终的命运。宇宙究竟是

密闭的还是开放的?或是介于两者之间――宇宙会是平坦的吗?

如果我们的宇宙是开放宇宙，就代表宇宙中物质具备的重

力不够大，无法阻止宇宙膨胀，因此宇宙中的物质会日渐稀

释，宇宙会变得越来越大、越来越冰冷空旷。而另一方面，如

果我们的宇宙是封闭宇宙，就代表宇宙中含有够强的重力，足

以终止甚至逆转宇宙的膨胀，因此宇宙最后将会停止扩张并往

回缩，走向一个炙热狂暴的终点，也就是所谓的大坍缩。然而

绝大多数宇宙学家却倾向于相信所谓的平坦宇宙，这个宇宙观

比较简单，可以用漂亮的数学公式佐证。平坦宇宙的扩张会日

渐趋缓，因此宇宙将不会毁于火焰，也不会灭于冰寒。只可惜

这不是我们能选择的，因为如果宇宙常数存在，宇宙将会持续

加速膨胀，即使宇宙是平坦的也一样。

2011年度的三位诺贝尔奖得主原本想测量的是宇宙减速，

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也就是宇宙的扩张日益趋缓的过程。他们用的观测法其实和60

余年前的天文学者相差不多，也就是找遥远的恒星，测量这些

星星移动的状况。但这方法说起来简单，要实行却不容易。从

勒维特时代以来，科学家早已发现许多其他的造父变星，其中

也不乏距离更远的，然而问题在于，现在这两个研究团队需要

观测的距离非常远，隔着这几十亿光年的距离，我们根本观测

不到造父变星发出的光。我们得寻找更亮的标准烛光。

而恒星爆炸后形成的超新星，就摇身一变成了新的标准烛

光。自20世纪90年代以来，我们的地面和太空望远镜都越来

越精良，计算机科技也日新月异，这些都成了突破的契机，有

助于将宇宙的面貌勾勒得更为完整，而其中最关键的就是电荷

耦合装置。电荷耦合装置是感光的数字影像侦测装置，发明人

正是荣获2009年诺贝尔物理学奖的威里亚德・波伊和乔治・史

密斯。

爆炸的自矮星

天文学家的新法宝是一种特殊的爆炸恒星――La超新星。

单单一颗La超新星，就能发出和整个星系一样强的光线，亮度

可维持数周。这类超新星是白矮星爆炸所形成的。白矮星是一

种密度极高的衰老恒星，质量可比太阳，体积却可能和地球差

不多大，而它的生命周期走到尽头便是爆炸。

一颗恒星将核心的能量耗竭后就会变成白矮星，内部所有

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的氢气和氦气都已在核反应过程中燃烧殆尽，只剩下碳和氧

气。我们的太阳在遥远的未来也会这样衰老冷却，迈向死亡，

成为一颗白矮星。

假使有一颗白矮星是双星系统的一部分，它的生命尾声就

更惊险刺激了，而这情况还算常见。这种白矮星的强大重力会

把伴星的气体抽走。当这颗自矮星的质量增加到1.4倍太阳质

量时，就再也无法保持完整，内部温度会变得极高，会开始产

生失控的熔合反应，只需要几秒，这颗白矮星便会碎裂四散。

这些核融合产物在爆炸后的几周会放出很强的辐射，然而

接下来就会逐渐减弱，几个月后会完全结束，所以想找超新

星，手脚一定要快。因为剧烈的爆炸正如同昙花一现。在我们

可见的宇宙中，每分钟大约会出现10个La超新星，但宇宙何

其大，一般而言，在一个星系里，每1000年只会出现一个或两

个超新星爆炸。2011年9月，我们很幸运地观测到一个超新

星，位于北斗七星附近的一个星系中，亮度很高。用一般的双

筒望远镜就能看到。但其实大多数超新星距离我们遥远多了，

因此亮度低很多。那么，我们究竟该何时仰天远望，又到底该

望向何处?

出人意表的成果

这两个彼此较劲的研究团队都明白，他们得在浩瀚苍穹中

寻找遥远的超新星，而不二法门就是比较同一处天空在不同时

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间点的影像。如果我们把手伸长比划，这块天空的范围只有指

甲般大小而已。第一张影像得在新月之后拍摄，接着隔三周再

拍摄第二张影像，再晚的话星光就会被月光遮蔽了。然后研究

人员便会比对这两个影像，看看是否能找到小亮点，如此很可

能就能找到遥远星系中的超新星――而这在电荷耦合装置影像

中不过是一个小小的像素而已。为避免局部失真的干扰，研究

人员只用可见宇宙1／3以外距离的超新星。

研究人员还得解决许许多多的其他问题。首先，La超新星

不如他们原先所想的可靠，因为爆炸后亮度减弱的过程其实比

预估的要来得长。再者，他们还得先扣除超新星所在的宿主星

系发出的光，才能得出超新星本身的亮度。此外另一项重要任

务则是确保得到的亮度准确无误，因为星星和我们之间的星系

际尘埃会影响星光的亮度，所以计算超新星的最大亮度时便可

能受到干扰。

寻觅超新星的任务除了挑战科学和科技的极限之外，实际

的工作流程也是一大考验。科学家得先找到适合的超新星，接

着必须测量出超新星的红移及亮度，然后配合长期分析所得到

的光变曲线数据，如此才能和其他已知距离的同类超新星做比

较。整个研究团队要在短时间内迅速决定某颗星是否值得观

测，他们得同时用好几台望远镜进行观测。必须准时获得使用

望远镜的许可，延误不得。申请使用望远镜的程序常常得花上

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几个月，但研究人员的动作要快，否则超新星很快便会暗淡消

失。在这个过程中，两个竞争的研究团队还默默打过几次照

面。

这整个过程中可能出的差错不计其数，这两个研究团队一

度也认为自己真的出错了，因为他们测到同样令人讶异的成

果：他们共找到50个遥远的超新星，而每一个超新星的亮度都

比预估的还低，这和他们原先想象的不同。如果宇宙膨胀的速

度已经逐渐趋缓，那超新星应该会亮一点才对，然而这些超新

星却越来越暗淡，它们随着所处的星系加速远离我们。因此研

究成果出乎意料：宇宙膨胀并没有减缓，反而还加速了。

从现在到永恒

那么，究竟是什么力量在驱使宇宙加速膨胀?这个力量正是

暗能量。暗能量是物理学中的一道难题，至今无人能解。一些

学者都曾提出相关假说，而最简单的做法就是沿用爱因斯坦提

出又自己推翻的宇宙常数。当年爱因斯坦为了得出静态宇宙，

便在他的方程式中加入一个反重力的宇宙常数，以抵消宇宙中

物质的重力。而如今，这个宇宙常数的存在却反倒解释了宇宙

加速膨胀的现象。

顾名思义，宇宙常数是恒定不变的，不会随着时间改变，

因此几十亿年来，随着宇宙膨胀，物质越来越分散，重力也随

之稀释，暗能量在宇宙中所占的比例就越来越高了。科学家

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说，在宇宙的历史中，宇宙常数很晚才出现，时间是五六十亿

年前，而上述现象正是原因。因为在五六十亿年前，宇宙中物

质的重力才终于减弱到比宇宙常数还小，而在那之前，宇宙膨

胀确实处于减速的状态。

宇宙常数很可能源自真空。但根据量子物理学，宇宙的真

空并非真的空空如也，而是像一锅煮沸冒泡的量子汤，物质和

反物质的虚粒子在汤里不断冒出又消失，如此便会释放出能

量。然而用最简单的方法估算暗能量的结果，却跟科学家在宇

宙中实际测得的暗能量有很大的差别，整整大了10120倍!因

此，理论和实际观测到的现象之间仍存在一道鸿沟，科学家至

今仍无法解释。10的120次方有多大呢?地球上所有沙滩的沙

粒加起来甚至不到10的20次方!

或许暗能量根本不是恒定的，而会随着时间改变；也或许

宇宙中存在一个不定期产生暗能量的未知力场，物理学中确实

有很多这样的力场，物理学家把这些力场统称为“第五元

素”。第五元素能使宇宙加速扩张，但只偶尔才会起作用。如

此看来，我们将永远无法预测宇宙的命运。

无论暗能量究竟为何，这股能量似乎确实存在。它确实能

帮忙拼凑出宇宙的面貌，替物理学家及天文学家解答长久以来

的疑惑。依照目前学界的共识，宇宙中约有3／4是暗能量，其

余则是物质。但一般的物质，也就是构成星系、星星、人类及

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花朵等的物质只占全宇宙的5％，其余全是所谓的“暗物

质”，目前我们仍一无所知。

暗物质是宇宙中另一道难解的谜题。暗物质和暗能量一

样，是看不见的，因此我们只能藉由暗能量和暗物质产生的效

果来分辨二者――暗能量负责推，而暗物质负责拉。二者除了

名称里都有“暗”这个字外，其他全无共通之处。

因此，2011年诺贝尔物理学奖得主的发现，帮助人类看见

一个有95％都是目前科学无法解释的宇宙。从今而后。一切又

充满各种可能了。