超新星爆發(fā)及宇宙加速膨脹
——2011年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡介

韓 鋒

（廣西河池學(xué)院物理與電子工程系 廣西 河池 546300）

2011年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授給了三位天體物理學(xué)家，以表彰他們在天體物理學(xué)方面的卓越成就：通過觀測超新星爆發(fā)，發(fā)現(xiàn)了宇宙的加速膨脹.這三位天體物理學(xué)家是美國加州大學(xué)伯克利分校的S·佩爾馬特（S.Perlmutter，圖1），他領(lǐng)導(dǎo)了1988年啟動(dòng)的“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”；澳大利亞國立大學(xué)的B·施密特（B.Schmidt，圖2），他領(lǐng)導(dǎo)了1994年啟動(dòng)的“高紅移超新星研究組”；美國霍普金斯大學(xué)的A·里斯（A.Riess，圖3），他對(duì)有關(guān)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析.

圖1 S·佩爾馬特

圖2 B·施密特

圖3 A·里斯

1 愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型

當(dāng)初，愛因斯坦設(shè)想的宇宙，應(yīng)該是靜態(tài)的，而且是有限無邊的，有正的常曲率.它的二維類比就是球面，這樣的模型當(dāng)然是最簡單的，而這才符合愛因斯坦心目中的美學(xué)理想.為了做到這一點(diǎn)，他在宇宙的引力場方程中加了一個(gè)含“宇宙常量”的項(xiàng)Λgμν，成為

因?yàn)槿绻麤]有這一項(xiàng)，宇宙中物質(zhì)之間的萬有引力會(huì)使得整個(gè)宇宙整體收縮而不穩(wěn)定，代表斥力的這一項(xiàng)加進(jìn)去，就可以抵消這種收縮而使其處于靜態(tài).這一項(xiàng)被叫做宇宙項(xiàng)，Λ就叫做宇宙常量.

2 宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)

后來，蘇聯(lián)科學(xué)家弗里德曼（A.A.Friedmann）對(duì)愛因斯坦宇宙的引力場方程進(jìn)行了理論分析，指出愛因斯坦設(shè)想的宇宙方程是不穩(wěn)定的，引力場方程的解是動(dòng)態(tài)的，要么膨脹，要么收縮.1927年美國天文學(xué)家哈勃（E.P.Hub ble）通過長期天文觀測，發(fā)現(xiàn)了河外星系的譜線紅移，根據(jù)多普勒效應(yīng)，這種譜線紅移，說明宇宙在不斷膨脹.于是，愛因斯坦公開承認(rèn)，他當(dāng)初在方程中引入那個(gè)不等于零的宇宙常量Λ，是他一生中所犯的最大的一個(gè)錯(cuò)誤.

事態(tài)的發(fā)展是戲劇性的.后來的大量觀測，包括2011年獲獎(jiǎng)的這三位科學(xué)家的工作都發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的宇宙不但是膨脹的，而且是加速膨脹的，這很出乎人們原來認(rèn)為宇宙將逐漸減速的預(yù)料.或許，當(dāng)初愛因斯坦引力場方程中的那個(gè)“宇宙項(xiàng)”還是加對(duì)了的，正是它代表的這個(gè)斥力，不但抵消了引力，還促使其加速膨脹.這樣看來，愛因斯坦當(dāng)初真還沒有錯(cuò)，方程有時(shí)候真的比創(chuàng)建它的人還要聰明！

那么，這一項(xiàng)背后的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么呢？很可能，它就是近年來被炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的“暗能量”.人們發(fā)現(xiàn)，用現(xiàn)有的科學(xué)手段所能探測到的物質(zhì)只占總量的很少一部分，還有約占總量的是“暗能量”，它使物質(zhì)之間產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)，是一種反引力 —— 斥力.這種強(qiáng)大的斥力足以使宇宙產(chǎn)生加速膨脹.至于這種“暗能量”究竟是什么，至今還不知道.

3 超新星爆發(fā)與宇宙加速膨脹

從超新星爆發(fā)怎么就能知道宇宙是加速膨脹的呢？

眾所周知，任何星體在其核燃料耗盡行將死亡之前的“回光返照”，就是超新星爆發(fā).之后它將成為白矮星、中子星或者黑洞，視其剩余的質(zhì)量大小而定.這三位天體物理學(xué)家觀測的是Ⅰa型超新星，因?yàn)樗牧炼雀叨纫恢?，所以可被用來作為測量星系距離的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”.這種超新星是白矮星從其伴星中吸積物質(zhì)到超過1.4個(gè)太陽質(zhì)量（錢德拉塞卡極限）后發(fā)生的爆炸.超新星爆發(fā)在幾個(gè)星期內(nèi)就迅速增亮到亮度很大的程度，然后在幾個(gè)月內(nèi)逐漸消退，所以觀察還是很明顯的.

哈勃定律說，膨脹星系的退行速度與星系和我們的距離成正比，越遠(yuǎn)的星系退行得越快.如此說來，一顆有確定亮度的超新星，如果距我們越近則看起來應(yīng)該更亮，不料觀測的結(jié)果正好相反，距離約幾十億光年及更遠(yuǎn)的超新星，看起來比預(yù)期的要暗得多（要暗20%到30%）.這意味著，它們處在比預(yù)期距離更遠(yuǎn)的位置上.也就是說，宇宙膨脹是在加速的.

這三位天體物理學(xué)家從1988年開始觀測了大約50顆這樣的超新星爆發(fā)，證實(shí)了宇宙在加速膨脹的事實(shí).下一步的工作，當(dāng)然就是要解釋為什么會(huì)出現(xiàn)這種加速.可以預(yù)料，如果那設(shè)想中的“暗能量”和“暗物質(zhì)”（暗物質(zhì)約占物質(zhì)總量的22%，表現(xiàn)為引力效應(yīng)）一旦被發(fā)現(xiàn)，則必是下一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者無疑.