探尋宇宙的“燭光”

錢煒

宇宙始于一場140億年前的大爆炸，此后就不斷膨脹。但根據(jù)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(xù)，將不斷減速，直到某一刻，停止膨脹并開始收縮，最終形成一個起點，再次爆炸，并重新開始膨脹。

在上世紀，這一度是科學界對宇宙的流行解釋。宇宙這種周而復始的演變，與佛經里的“輪回”暗相契合，令科學與哲學在最宏觀的層面上實現(xiàn)了某種意義上的“團圓”。

然而，2011年度諾貝爾物理學獎得主的研究結論，一舉打破了這個“皆大歡喜”的結局。三位獲獎者——美國科學家索爾·珀爾馬特、擁有美國和澳大利亞雙重國籍的科學家布賴恩·施密特以及美國科學家亞當·里斯——通過觀測遙遠的超新星，發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹并非減速，相反，是加速的。

“如果宇宙繼續(xù)膨脹下去，最終將成為一片寒冷死寂之地，無所謂終結，不存在目的，這將向人類呈現(xiàn)出一幅嶄新的哲學圖景。”科幻作家劉慈欣在談到本屆諾貝爾物理學獎時向《中國新聞周刊》如此描述。

而國家天文臺研究員陳學雷則更生動地描繪了這個結果帶給科學界的震驚：“這就像是你往上扔一個皮球，結果發(fā)現(xiàn)皮球并未逐漸減速，卻加速向上飛去了！它撼動了整個宇宙學的基石。”

珀爾馬特與施密特分別于1988年和1994年開始領導各自的團隊從事超新星研究，里斯在施密特的團隊中發(fā)揮了重要作用。由于這項發(fā)現(xiàn)的顛覆性，幾年來，兩個研究小組一直是諾貝爾獎的熱門候選人。中科院理論物理研究所研究員李淼去年就在博客上聲稱他們該獲諾獎，而加拿大科幻作家羅伯特·索耶早在12年前，就在其作品《未來閃影》中如有神助般地說中了今年諾貝爾物理學獎的獲獎者。

從“燭光”中窺探宇宙膨脹

在地球上觀測超新星亮度的變化，可以準確推算出它們和地球距離的變化，并據(jù)此計算出宇宙膨脹的速度?！癐a型超新星”在宇宙學上被稱為“標準燭光”。珀爾馬特和施密特的研究小組都以“Ia型超新星”為觀察對象。陳學雷說，這聽上去容易，但超新星的發(fā)現(xiàn)是很困難的。雖然超新星很亮，但置于浩瀚宇宙之中，也只有微光一點。

1980年代中期，丹麥的一些天文學家曾試圖尋找宇宙中這些遙遠的超新星。經過長達兩年的搜索，他們才找到兩顆，但終因發(fā)現(xiàn)過少而放棄了。由于很難發(fā)現(xiàn)超新星，并且懷疑它是否真的是“標準燭光”，當時許多天文學家都對此類研究持悲觀態(tài)度。

而美國加州大學伯克利分校的“超新星宇宙學計劃”小組（英文簡稱SCP）主要由物理學家組成，他們一開始對于超新星天文學中的困難并不完全了解。因此，當大多數(shù)天文學家都快放棄超新星時，“無知者無畏”可能是SCP小組仍勇于前行的原因。當珀爾馬特接掌SCP時，正是項目最困難的時期：他們未取得任何成果，連一顆超新星都沒發(fā)現(xiàn)，項目經費也快用完了。

當時，珀爾馬特還面臨著更實際的困難：要找到超新星，科研水平高低暫且不說，先得占有大量的觀測數(shù)據(jù)，這就需要獲得望遠鏡的觀測時間。而現(xiàn)代天文望遠鏡都是由很多天文學家共用的。天文學家要用望遠鏡，就要寫一份建議書，經同行評議后，由望遠鏡時間分配委員會根據(jù)評議結果決定分配。而在發(fā)現(xiàn)超新星之前，珀爾馬特很難預先申請到這些觀測時間。

為此，珀爾馬特想了很多辦法來爭取望遠鏡的觀測時間。其中最關鍵的一步，是他發(fā)明了“批處理”的方法：每隔一個月，在觀測條件最好的無月夜拍攝大片的星空，并立即與以往的觀測相比較，找出可能的超新星候選者。用這種辦法，帕爾馬特領導的研究小組開始發(fā)現(xiàn)大量的超新星。

隨著他們逐漸接近成功，天文學家們也看到了希望并參與競爭，其中就包括來自哈佛大學的施密特和里斯等人組成的High-z 小組。

對于后來者而言，挑戰(zhàn)在于SCP小組花費了幾年時間才開發(fā)出自動化超新星搜尋軟件，他們要在短期內也研制出類似軟件。施密特并沒有像SCP小組那樣寫一套新軟件，而是組合了一些現(xiàn)成的天文軟件，這一過程只用了一個月。這樣，High-z 小組就以出人意料的高速加入了競爭的行列。

SCP和High-z兩個小組的競爭非常激烈。到了1997年下半年，他們開始發(fā)現(xiàn)，超新星比他們原來預期的要暗，這表明宇宙的膨脹是在加速而不是減速。

經過反復檢查，1998年1月，兩個小組幾乎同時公布了自己的觀測結果，SCP組有42顆超新星數(shù)據(jù)，High-z 組只有16顆超新星數(shù)據(jù)，但每顆的誤差要小一些。他們一致的結論是——宇宙的膨脹在加速。

“空靈的”諾貝爾獎

宇宙在加速膨脹，從這一過程引申出的一個新概念是暗能量。

暗能量一詞是美國宇宙學家麥克·特納發(fā)明的。它是物質的一種形式，有一些奇特的性質。比如，它的有效“壓強”小于0，使得暗能量造成的“時空彎曲”與一般物質所致的相反，因此可以理解成具有與萬有引力相對的“斥力”，可導致宇宙加速膨脹。

根據(jù)現(xiàn)在對宇宙微波背景輻射、超新星等實驗數(shù)據(jù)的擬合表明，宇宙中大約75%左右都是暗能量，此外還有21%左右是不發(fā)光的暗物質，而我們熟悉的普通物質僅占4%多一點。

陳學雷指出，諾獎公告里面說，這個發(fā)現(xiàn)預示著“宇宙將終結于寒冰狀態(tài)”，這只是文學性的說法。在宇宙學的術語當中，不存在這樣的描述。

如果承認暗能量的存在，那么宇宙在遙遠的未來不會塌縮，也不存在終結，會一直膨脹、存在下去，溫度極低，物質稀薄。不過，科學界還有一種較為“激進”的看法則認為，隨著宇宙的膨脹，暗能量將越來越多。由于暗能量產生的強大“斥力”，宇宙最終將經歷一場極為慘烈的“大撕裂”，屆時所有的天體包括地球在內都將不復存在，甚至連原子與原子核也都被撕裂。

不過，與反物質、暗物質相比，暗能量聽上去更加不可捉摸。如今有關暗能量的一切研究，還停留在理論上的推測。“這次的獲獎成果，屬于天馬行空一類的，比較空靈，不符合諾貝爾物理獎一貫的風格?！眲⒋刃辣硎?。

陳學雷也認為，盡管宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)意義重大，但與此相關的許多理論和觀測還處在研究前沿，尚存在許多疑問和爭論。“諾獎評委會素有穩(wěn)重、保守的傳統(tǒng)，我原以為他們還要再等若干年才會獲獎。”

主要的爭議集中在超新星。陳學雷解釋說，根據(jù)科學家的推論，Ia型超新星會吸收周圍一些物質，當中心壓強大到一定程度時，就會爆發(fā)，但在過去，科學家用計算機模擬超新星的演變過程很長時間，都一直未能爆發(fā)，直到幾年前，才終于爆發(fā)。但從模擬的結果來看，仍存在問題，似乎有很多因素，使超新星爆發(fā)的能量并不完全相同。因此，超新星究竟是否能作為“標準燭光”，在理論上還是有討論余地的。

此外，陳學雷指出，雖然兩個研究小組的觀測數(shù)據(jù)本身沒有問題，但數(shù)據(jù)的處理是非常復雜的。不過，單就此次獲獎的兩個小組而言，他們并不是理論研究，而是做觀測，在數(shù)據(jù)處理時對各種可能性也做了考慮，因此還是可信的。

上海交通大學科學史系主任江曉原對此也表達了疑問：人類對宇宙的觀測歷史頂多只有兩百多年，而宇宙的時間尺度是幾百億年。在極其有限的觀測信息上進行推測，是不大靠得住的。此外，把一個在很小的時間區(qū)間內構造起來的模型，推廣到一個巨大時間尺度時，也只能是猜測，其準確性都值得商榷。

此外，江曉原指出，對超新星的研究，本身也還不十分可靠。Ia型超新星的前世是什么？現(xiàn)在人們尚未搞清楚。根據(jù)諾獎公告，他們發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹，是因為“發(fā)現(xiàn)超新星的光度比預期的小”，這里的預期，根據(jù)的是恒星在不同演化階段的光譜，預期本身就不可靠。

這是進入21世紀后，諾貝爾物理學獎第三次頒給與宇宙相關的領域。劉慈欣說，無論是從時間尺度還是空間尺度上，宇宙學都是研究對象最大的一門科學。即便宇宙有末日，在宇宙末日來臨前，太陽就早已衰亡，人類的末日早就降臨了。所以研究宇宙，對人類的現(xiàn)實生活沒有太多的影響，但具有一種哲學上的意義。