宇宙加速膨胀？两独立团队成果大跌眼镜，10多年后喜提诺奖

你是否好奇，浩瀚宇宙的最终命运将会如何？自大爆炸以来，宇宙一直在膨胀，但究竟是什么力量驱动着它？20 世纪末，天文学家们惊奇地发现，宇宙并非如预期般减速膨胀，而是在加速！驱动这场加速膨胀的幕后推手，就是神秘的“暗能量”……

01 寻找量天尺

天体的距离如何测量呢？要靠一根接一根的量天尺来测量。我们很容易用三角测距法计算出某些恒星的距离。300 光年之内，都可以用三角法测量。这是我们拥有的第一把宇宙量天尺。

但是，更加遥远的天体就不行了。假如要测量银河的大小，区区 300 光年是无论如何不够用的。哈勃要测量银河系的邻居仙女座大星系的距离，那就更不够用了。我们需要一把更长的尺子。

哈勃太空望远镜拍摄的仙女座星系的马赛克图像。虽然其规模巨大，但它甚至没有覆盖该星系的一半。

你可能还记得我们以前已经介绍过，哈勃使用的是造父变星。他在仙女座大星系里面发现了造父变星。这种天体的亮度就像手机呼吸灯一样会由亮变暗，再由暗变亮，如此循环往复。周期长短和绝对亮度是有关联的。那么知道变光周期也就可以推算出绝对亮度。这是第二把尺子，当然第二把尺子要用第一把尺子来校准。哈勃就是利用造父变星测算了大大小小星系的距离，从而发现了遥远的星系都在远离我们。

造父变星的周期性

现在的太空望远镜已经可以拍摄到非常遥远的天体。感光器件连续曝光几十天，对准针眼大小的区域拍一张照片。照片上每个光点都是一个星系团。即便是星系团级别，也不过才几个像素大小，我们无论如何没办法从中分辨出造父变星。第二把量天尺也失效了。

为了能够测量出距离地球几十亿甚至上百亿光年外的星系距离，我们必须要找到新的量天尺，这把量天尺我们前面也介绍过了，就是 Ia 型超新星。

02 大跌眼镜的发现

超新星是一把非常好的量天尺，但是也需要精确校准。利用爆炸余晖，可以把这把尺子调节得更加精确。遥远的天体发出的光千里迢迢跑到我们地球的过程之中，难免会碰上气体云、尘埃之类的，还要矫正这些雾霾带来的亮度误差。这些气体云和尘埃会更多地吸收蓝光，因此可以从红光和蓝光的比例来判断衰减了多少。

上：白矮星质量增长；下：质量极限已超出，形成 Ia 型超新星

经过天文学家的不断努力，这把尺子已经被校准。从上世纪 90 年代以来，有两个独立的研究团队利用当时世界上最先进的设备寻找超新星。其中有一个科学家就是我们前面提到的亚当·里斯。还有两位是，索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）、布莱恩·施密特（Brian P. Schmidt），这三位后来分享了 2011 年的诺贝尔物理学奖。他们带领着团队坚持不懈地在连续几年的时间里，对高红移 Ia 型超新星进行了观测，系统地研究了宇宙膨胀现象。他们本来的目标是计算出宇宙膨胀的减速状况。

2011 诺贝尔物理学奖获得者

宇宙膨胀减速是最符合科学家们预期的情况，也很符合逻辑。因为，在大爆炸以后，受到引力的作用，宇宙的膨胀速度会减慢，就像炮弹朝天上发射一样，出炮膛的一瞬间速度是最快的，然后就会开始减速，当达到最高点，速度为 0，下落的过程就开始了。

当然，炮弹速度足够快，就可以不掉下来，变成卫星，再快一些就可以飞出地球引力范围，一去不回头。所以在过去，物理学家们也一直都认为宇宙大爆炸和炮弹发射很类似，宇宙中的所有物质都会产生引力。假如物质足够多，引力足够大，最终我们的宇宙膨胀到了顶点，还是会开始收缩的，最后重新变成一个点，这个过程叫做“大挤压”。这样的宇宙虽然无比辽阔，但是体积终究有限，因此也叫封闭宇宙。

只要炮弹速度足够快，就可以不掉下来，变成卫星

假如物质不多不少刚刚好，我们的宇宙再也不会收缩了，虽然膨胀速度在下降，但是永远也减不到 0。就像人造卫星不会掉到地球上是一个道理。这是一种温和的结局，一切都慢慢消逝。

为了探求宇宙的未来，天文学家们试图测量宇宙膨胀的精确速度，从而确定它的减速情况。几乎所有的科学家都认为，宇宙膨胀理所应当是在刹车，区别无外乎是温和地刹车，还是急刹车，也有小部分科学家认为是空档滑行。

上世纪 90 年代，有两个各自独立的团队几乎同时向这个宇宙终极命运问题发起了冲击，其中一个团队由美国劳伦斯伯克利国家实验室的珀尔马特领衔，成员来自 7 个国家，总共 31 人，阵容强大；另一个团队则由哈佛大学的布莱恩·施密特和亚当·里斯领衔，也是一个由 20 多位来自世界各地的天文学家组成的豪华团队。

珀尔马特（最左）与超新星宇宙学项目团队成员合影

最终，两个团队前后脚发现了让人大跌眼镜的现象，宇宙在前 70 亿年确实是在减速膨胀，可是在 70 亿年前的某个时间点上，减速膨胀反转成了加速膨胀，这就好像开车，先是踩刹车，然后再踩油门，这个事情就大大出乎科学家们的意料了。爱因斯坦或者伽莫夫要是听说这事儿，估计一口老血都能喷出来。

03 宇宙正加速膨胀？

宇宙加速膨胀的这个观点足以惊动全世界，这样惊人的观点要站住脚，那必须要经受住比其他科学观点更加严苛的挑战。

因此，尽管两个团队公布了所有的观测数据和他们的研究方法，但要让全世界的科学家们接受依然证据不够。在这之后，世界各地的天文学家们又进行了大量的独立观测、验证，包括 COBE、WMAP 和普朗克卫星都对这个结论做了不同程度的观测验证，到今天为止，宇宙加速膨胀已经成为了一个经受住严苛检验的事实而被科学共同体所接受。

宇宙背景探测者（COBE）

2011 年，珀尔马特、施密特以及亚当·里斯获得当年的诺贝尔物理学奖，这一次，诺贝尔奖算是反应比较迅速的。没有等到这几位七老八十才把奖发给他们。珀尔马特算是最老的，当时也才 52 岁。在此前后，他们已经拿奖拿到手软了。

从诺奖的反应速度，大家也都能掂量出他们的成就有多重要。这个发现实在是太让人意外了。那么，接下去，就很自然而然会产生一个重要的问题：到底是谁在踩油门呢？这一切该如何解释呢？

宇宙加速膨胀

按照过去的理论，这是不可能的。我们过去认为，宇宙膨胀应该是减速的。现在发现，宇宙就像被踩了油门，在加速膨胀之中。到底是谁在踩油门呢？这是个大问题。

为了解决这个问题，1998 年，迈克尔•特纳引入了一个新名词，那就是“暗能量”。

我们讲到这里，这个名字才浮现出来，确实铺垫得有点儿长。但因为讲到暗能量就只能从宇宙大爆炸的发现一路讲起，否则没有基础的人是根本听不懂的。所以，暗能量其实还是一个假想的概念。

04 暗能量假说是什么？

研究暗能量，必须要从宇宙诞生的那一刻开始。大约 138 亿年前（当然，正如我前面说的，这个数字可能不对，但这依然是目前接受度最高的数字，我们也就这么说），宇宙从一个奇点之中诞生。爆炸后的一瞬，物理法则开始生效，那个瞬间，一切都是温度极高的状态，随着宇宙的膨胀，温度开始下降了。

到了第 10 的 -11 次方秒左右的时候，粒子的温度已经降低到了我们现有高能物理理论能掌握的阶段。我们就可以计算那个时候究竟发生了什么事情。那个时候，夸克和胶子开始组合成质子和中子。第 10 的 -6 次方秒时，宇宙产生了大批的质子与反质子对，中子与反中子对。但是数量并不匹配，正粒子比反粒子多了这么一丝丝。随后它们互相抵消湮灭，还剩下十亿分之一的中子和质子保留到今天。大爆炸以后 1 秒左右的时间段，电子和正电子也遭遇过类似情况，电子也多了一丝。我们看到的宇宙星辰就是由这残留的一丝正物质构成的。

在宇宙大爆炸约 3 分钟后，宇宙浓汤的温度足够低了，原子核才能形成。一直到大爆炸以后 38 万年，宇宙的雾霾才逐渐散开，变得透明。光子才能痛快地在宇宙里不受限制地随意穿行。这就是大爆炸以后发出的第一缕光。这些光子已经被我们人类探测到了，这就是“宇宙微波背景辐射”，它能告诉我们宇宙早期的信息，以及宇宙之中物质含量的信息。

WMAP 制作的全天图显示了宇宙背景辐射

因为这些光子几乎是穿行整个宇宙才落到我们的探测器里，它们一路之上受到的引力扭曲，穿过的气体，遇上的尘埃，都会在微波背景辐射之中留下痕迹。

该图揭示了宇宙诞生以来膨胀率的变化

按照普朗克卫星的最新数据，我们现在对宇宙的基本认知是：暗能量占了总质能的 68.3%、暗物质占 26.8%、普通物质仅占 4.9%。