諾貝爾物理學獎：宇宙將終結於寒冰

http://www.sina.com.cn 2011年10月19日 10:06 三聯生活周刊 微博

　　如果這樣，遙遠的星系最終將迅速分離，失去任何聯繫，所有物質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。

　　有人說世界將終於烈火，有人說將終於寒冰。大約137億年前，宇宙在烈火中誕生。當時宇宙所有的物質都高度密集在一點，有著極高的溫度，發生了巨大的爆炸。大爆炸以後，物質開始向外大膨脹，形成了今天我們看到的宇宙。在過去100年里，從阿爾伯特·愛因斯坦到斯蒂芬·霍金的大多數科學家，一直都認為宇宙膨脹會越來越慢，最後停止，並由於星系重心吸引力作用向內部坍縮，一切星系再度相聚成一點，形成一個緊密的物質團，成為最初的大爆炸情景的反演，被稱為「大坍縮」，這將摧毀宇宙中所有的生命。

　　所以，當1998年有兩隊研究超新星的科學家發現，宇宙膨脹並未減緩，實際上是在加速的時候，是多麼令學界震驚。換句話說，我們的宇宙正在撕裂它自己。

　　這兩個隊伍一個是由加州理工大學52歲的薩爾·波爾馬特(Saul Perlmutter)領導的「超新星宇宙計劃」(Supernova Cosmology Project)。另一個是由哈佛大學44歲的布萊恩·施密特(Brian Schmidt)領導的國際項目「高阻超新星研究」(High-z Supernova Search Team)，41歲的亞當·里斯(Adam Riess)當年也參與其中。

　　在過去的數年裡，這三位天文學家已經分享了很多獎項，他們相互之間已經非常熟悉。這兩個隊伍屬於競爭性團隊，分別試圖用Ia型超新星作為宇宙的燈塔來勾勒宇宙膨脹，目標都是測量宇宙膨脹速度的減慢。如何測量宇宙的膨脹速度並非簡單的事，需要給遙遠的恆星定位，測量它們如何運動。Ia型超新星是白矮星爆炸的結果，這種超緻密老年恆星像太陽一樣重，卻只有地球這麼大。白矮星爆炸在短短几周內，發出的光足以與整個星系相抗衡。由於每顆「Ia型超新星」爆發時質量均一致，它們爆炸發出的能量和射線強度也一致，因此通過在地球上觀測「Ia型超新星」亮度的變化，可以準確推算出它們和地球距離的變化，並據此計算出宇宙膨脹的速度。

　　他們發現了大約50顆遙遠的超新星，星光比預期的要暗。這一結果與科學家事先的預期完全相反，因為如果宇宙膨脹越來越慢的話，超新星應該顯得更亮才對。然而，隨著超新星被所在星系裹挾，以越來越快的速度相互遠離，它們的亮度也會越來越暗。於是，這兩組科學家得出了相同的結論：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。

　　如果這樣，遙遠的星系最終將迅速分離，失去任何聯繫，所有物質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。按照諾貝爾獎委員會的說法，這個獲獎成果告訴我們，包括地球在內的整個宇宙最終都將會變成冰。

　　但是讓科學家不解的是，是什麼在加速宇宙膨脹？這就好比向空中扔出一個球，如果地球引力是唯一的作用力，這隻球最後將減緩速度，並開始落向地面。可是現在我們從宇宙看到的卻是這隻球不但沒有減緩速度下落，反而以加速度逃離我們而去。

　　這種神秘力量被稱為暗能量，它向物理學提出了一大挑戰，至今無人能夠破解這一謎題。科學家已經提出了若干想法，最簡單的辦法，是重新引入愛因斯坦一度放棄的「宇宙常數」。

　　1915年，愛因斯坦發表了他的廣義相對論。按照廣義相對論，宇宙只能收縮或者膨脹，但是愛因斯坦相信宇宙處於亘古不變的穩定狀態，於是在他的方程式中加入一個「宇宙常數」，代表一種抵消宇宙物質重力、維持穩態的神秘斥力。

　　1929年，美國天文學家埃德溫·鮑威爾·哈勃宣布，根據宇宙觀測結果，所有的星系都在遠離地球而去，也就是說宇宙不是穩態，而是在膨脹。自此，愛因斯坦拋棄了「宇宙常數」，視之為一生最大的錯誤。

　　但是這三位科學家的研究結果證實，愛因斯坦沒錯，宇宙中確實存在推動宇宙分離的力量。按照現在公認的觀點，宇宙大約有3/4是由暗能量構成，剩餘的才是物質。但那些構成星系、恆星和人類等等的普通物質只佔宇宙成分的5%，其他物質被稱為暗物質，至今無法觀測到，成為讓天文學家和物理學家頭疼的問題。

　　天文學說到底還是一門需要觀測的科學。里斯在郵件中寫道：「獲得這些結果不是用心或者腦子，而是眼睛。畢竟我們是觀測者。」繼續觀測、尋找暗能量，已然成為下一代科學家的艱巨挑戰。

推薦閱讀：