星星訴說的秘密：介紹2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

■汪芃

“有人說世界將終結(jié)于熊熊烈火，有人說它將終結(jié)于凜凜寒冰……”

宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)讓這些諾貝爾獎(jiǎng)得主自己也大吃一驚。他們觀測(cè)到的現(xiàn)象，就像把一顆球拋到空中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)球不但沒掉回地面，甚至還以越來越快的速度消失在空中，仿佛重力不足以扭轉(zhuǎn)球的拋擲軌道。而整個(gè)宇宙目前的狀態(tài)正是如此。

宇宙膨脹的速度越來越快，這暗示整個(gè)太空結(jié)構(gòu)中存在著一股未知的能量，正將宇宙往四面八方推開。這股“能量”構(gòu)成宇宙的絕大部分，占了70%以上，而且神秘費(fèi)解，稱得上是當(dāng)今物理學(xué)領(lǐng)域中最大的謎團(tuán)。因此，當(dāng)1998年兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別做出類似的研究結(jié)果時(shí)，宇宙論深受撼動(dòng)的程度也就不難想象了。

這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之一是“超新星宇宙學(xué)計(jì)劃”研究團(tuán)隊(duì)，這項(xiàng)計(jì)劃當(dāng)時(shí)已進(jìn)行10年，早自1988年便開始了，計(jì)劃主持人正是薩爾·波爾馬特。而布萊恩·施密特率領(lǐng)的則是另一個(gè)團(tuán)隊(duì)，他們?cè)?994年年底展開一項(xiàng)研究計(jì)劃，與波爾馬特的團(tuán)隊(duì)互較高下。這項(xiàng)計(jì)劃名為“高紅移超新星搜尋團(tuán)隊(duì)”，而亞當(dāng)·里斯是其中一大功臣。

這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)相互較勁，搶著早一步勾勒出宇宙的面貌，他們用的方法是設(shè)法找到最遙遠(yuǎn)的超新星。所謂超新星，即太空中爆炸的恒星，科學(xué)家想了解這些超新星和我們之間的距離以及它們遠(yuǎn)離地球的速度，進(jìn)一步窺探宇宙最終的命運(yùn)。這些科學(xué)家希望找到一些跡象，證明宇宙的擴(kuò)張正在趨緩，也就是冰與火最后將達(dá)到某種平衡。然而他們觀測(cè)到的結(jié)果卻恰恰相反，他們發(fā)現(xiàn)宇宙竟然在加速膨脹中。

越來越大的宇宙

新的天文發(fā)現(xiàn)把舊有的宇宙觀徹底顛覆，這已經(jīng)不是史上頭一遭了。就在區(qū)區(qū)一個(gè)世紀(jì)以前，世人還認(rèn)為宇宙平靜安詳，且范圍大約只有我們的銀河系這么大，宇宙的鐘也規(guī)律地走著，永恒而不滅。然而這樣的觀點(diǎn)很快便徹底扭轉(zhuǎn)。

20世紀(jì)初，美國(guó)天文學(xué)家亨麗愛塔·勒維特發(fā)現(xiàn)了一個(gè)測(cè)量遙遠(yuǎn)恒星距離的方法。當(dāng)時(shí)，女性天文學(xué)家不得使用大型望遠(yuǎn)鏡，卻常被交派分析照相底片的麻煩差事，勒維特便因此觀察了數(shù)千個(gè)脈動(dòng)的恒星，即“造父變星”。她發(fā)現(xiàn)恒星的光度越高，脈動(dòng)周期也就越長(zhǎng)，便用這項(xiàng)原理算出了造父變星的本質(zhì)亮度。

而星星的亮度越小，就代表距離越遠(yuǎn)，因此只要知道某一顆造父變星有多遠(yuǎn)，就能借以推算出其他造父變星的距離。從此，一個(gè)可靠的標(biāo)準(zhǔn)燭光誕生了，天文學(xué)家有了造父變星的輔助，很快便了解到原來銀河系只是一個(gè)星系，而宇宙中還有無數(shù)個(gè)這樣的星系。到了20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家利用當(dāng)時(shí)全球第一大的美國(guó)加州威爾遜山望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)幾乎所有星系都正離我們遠(yuǎn)去。當(dāng)時(shí)這些科學(xué)家正在研究光源遠(yuǎn)離時(shí)所產(chǎn)生的一種“紅移”現(xiàn)象，也就是當(dāng)光線的波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)，波長(zhǎng)越大，光的顏色便會(huì)越偏紅色。這項(xiàng)研究的結(jié)論是，各星系距離我們和距離彼此都越來越遠(yuǎn)，而且散得越遠(yuǎn)，移動(dòng)的速度就越快，這就是我們所知的哈勃定律。因此，我們的宇宙越來越大了。

宇宙常數(shù)的建立和推翻

而這項(xiàng)太空觀測(cè)成果之前早有理論預(yù)測(cè)了出來。1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，建構(gòu)了我們今天的宇宙觀。根據(jù)這個(gè)理論，我們的宇宙不是在縮小就是在擴(kuò)大。

這個(gè)令人不安的結(jié)論早在威爾遜山觀測(cè)結(jié)果出爐前的10年就已經(jīng)出現(xiàn)。宇宙竟然不是靜態(tài)的，這點(diǎn)連愛因斯坦自己也無法釋懷，因此為了避免得到宇宙正在膨脹的解，他在方程式中加進(jìn)一個(gè)常數(shù)，稱之為“宇宙常數(shù)”。愛因斯坦后來認(rèn)為，加進(jìn)這個(gè)宇宙常數(shù)是天大的錯(cuò)誤。然而后來隨著1997年和1998年的觀測(cè)結(jié)果（也就是本屆諾貝爾獎(jiǎng)所表揚(yáng)的研究成果）出爐，我們已經(jīng)可以下結(jié)論：愛因斯坦提出的宇宙常數(shù)雖然出發(fā)點(diǎn)不對(duì)，但確實(shí)是個(gè)了不起的見解。

發(fā)現(xiàn)宇宙正在擴(kuò)張是個(gè)劃時(shí)代的里程碑，開創(chuàng)了現(xiàn)在大家普遍相信的論點(diǎn)：宇宙是140億年前大爆炸的產(chǎn)物，時(shí)間和空間都始自大爆炸；而在那之后，宇宙便一直膨脹。如同蛋糕里的葡萄干在烤箱中會(huì)不停膨脹一樣，由于宇宙擴(kuò)張，各星系之間的距離也就日益增加了。但最后究竟會(huì)如何？

超新星──測(cè)量宇宙的新方法

愛因斯坦后來放棄了宇宙常數(shù)，臣服于“動(dòng)態(tài)宇宙”的觀點(diǎn)，并指出宇宙的幾何形狀影射著它最終的命運(yùn)。宇宙究竟是密閉的還是開放的？或是介于兩者之間——宇宙會(huì)是平坦的嗎？

如果我們的宇宙是開放宇宙，就代表宇宙中物質(zhì)具備的重力不夠大，無法阻止宇宙膨脹，因此宇宙中的物質(zhì)會(huì)日漸稀釋，宇宙會(huì)變得越來越大、越來越冰冷空曠。而另一方面，如果我們的宇宙是封閉宇宙，就代表宇宙中含有夠強(qiáng)的重力，足以終止甚至逆轉(zhuǎn)宇宙的膨脹，因此宇宙最后將會(huì)停止擴(kuò)張并往回縮，走向一個(gè)炙熱狂暴的終點(diǎn)，也就是所謂的大坍縮。然而絕大多數(shù)宇宙學(xué)家卻傾向于相信所謂的平坦宇宙，這個(gè)宇宙觀比較簡(jiǎn)單，可以用漂亮的數(shù)學(xué)公式佐證。平坦宇宙的擴(kuò)張會(huì)日漸趨緩，因此宇宙將不會(huì)毀于火焰，也不會(huì)滅于冰寒。只可惜這不是我們能選擇的，因?yàn)槿绻钪娉?shù)存在，宇宙將會(huì)持續(xù)加速膨脹，即使宇宙是平坦的也一樣。

2011年度的三位諾貝爾獎(jiǎng)得主原本想測(cè)量的是宇宙減速，也就是宇宙的擴(kuò)張日益趨緩的過程。他們用的觀測(cè)法其實(shí)和60余年前的天文學(xué)者相差不多，也就是找遙遠(yuǎn)的恒星，測(cè)量這些星星移動(dòng)的狀況。但這方法說起來簡(jiǎn)單，要實(shí)行卻不容易。從勒維特時(shí)代以來，科學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)許多其他的造父變星，其中也不乏距離更遠(yuǎn)的，然而問題在于，現(xiàn)在這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)需要觀測(cè)的距離非常遠(yuǎn)，隔著這幾十億光年的距離，我們根本觀測(cè)不到造父變星發(fā)出的光。我們得尋找更亮的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

而恒星爆炸后形成的超新星，就搖身一變成了新的標(biāo)準(zhǔn)燭光。自20世紀(jì)90年代以來，我們的地面和太空望遠(yuǎn)鏡都越來越精良，計(jì)算機(jī)科技也日新月異，這些都成了突破的契機(jī)，有助于將宇宙的面貌勾勒得更為完整，而其中最關(guān)鍵的就是電荷耦合裝置。電荷耦合裝置是感光的數(shù)字影像偵測(cè)裝置，發(fā)明人正是榮獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的威里亞德·波伊和喬治·史密斯。

爆炸的白矮星

天文學(xué)家的新法寶是一種特殊的爆炸恒星——Ia超新星。單單一顆Ia超新星，就能發(fā)出和整個(gè)星系一樣強(qiáng)的光線，亮度可維持?jǐn)?shù)周。這類超新星是白矮星爆炸所形成的。白矮星是一種密度極高的衰老恒星，質(zhì)量可比太陽，體積卻可能和地球差不多大，而它的生命周期走到盡頭便是爆炸。

一顆恒星將核心的能量耗竭后就會(huì)變成白矮星，內(nèi)部所有的氫氣和氦氣都已在核反應(yīng)過程中燃燒殆盡，只剩下碳和氧氣。我們的太陽在遙遠(yuǎn)的未來也會(huì)這樣衰老冷卻，邁向死亡，成為一顆白矮星。

假使有一顆白矮星是雙星系統(tǒng)的一部分，它的生命尾聲就更驚險(xiǎn)刺激了，而這情況還算常見。這種白矮星的強(qiáng)大重力會(huì)把伴星的氣體抽走，當(dāng)這顆白矮星的質(zhì)量增加到1.4倍太陽質(zhì)量時(shí)，就再也無法保持完整，內(nèi)部溫度會(huì)變得極高，會(huì)開始產(chǎn)生失控的熔合反應(yīng)，只需要幾秒，這顆白矮星便會(huì)碎裂四散。

這些核融合產(chǎn)物在爆炸后的幾周會(huì)放出很強(qiáng)的輻射，然而接下來就會(huì)逐漸減弱，幾個(gè)月后會(huì)完全結(jié)束，所以想找超新星，手腳一定要快，因?yàn)閯×业谋ㄕ缤瑫一ㄒ滑F(xiàn)。在我們可見的宇宙中，每分鐘大約會(huì)出現(xiàn)10個(gè)Ia超新星，但宇宙何其大，一般而言，在一個(gè)星系里，每1000年只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或兩個(gè)超新星爆炸。2011年9月，我們很幸運(yùn)地觀測(cè)到一個(gè)超新星，位于北斗七星附近的一個(gè)星系中，亮度很高，用一般的雙筒望遠(yuǎn)鏡就能看到。但其實(shí)大多數(shù)超新星距離我們遙遠(yuǎn)多了，因此亮度低很多。那么，我們究竟該何時(shí)仰天遠(yuǎn)望，又到底該望向何處？

出人意表的成果

這兩個(gè)彼此較勁的研究團(tuán)隊(duì)都明白，他們得在浩瀚蒼穹中尋找遙遠(yuǎn)的超新星，而不二法門就是比較同一處天空在不同時(shí)間點(diǎn)的影像，如果我們把手伸長(zhǎng)比劃，這塊天空的范圍只有指甲般大小而已。第一張影像得在新月之后拍攝，接著隔三周再拍攝第二張影像，再晚的話星光就會(huì)被月光遮蔽了。然后研究人員便會(huì)比對(duì)這兩個(gè)影像，看看是否能找到小亮點(diǎn)，如此很可能就能找到遙遠(yuǎn)星系中的超新星──而這在電荷耦合裝置影像中不過是一個(gè)小小的像素而已。為避免局部失真的干擾，研究人員只用可見宇宙1/3以外距離的超新星。

研究人員還得解決許許多多的其他問題。首先，Ia超新星不如他們?cè)人氲目煽?，因?yàn)楸ê罅炼葴p弱的過程其實(shí)比預(yù)估的要來得長(zhǎng)。再者，他們還得先扣除超新星所在的宿主星系發(fā)出的光，才能得出超新星本身的亮度。此外另一項(xiàng)重要任務(wù)則是確保得到的亮度準(zhǔn)確無誤，因?yàn)樾切呛臀覀冎g的星系際塵埃會(huì)影響星光的亮度，所以計(jì)算超新星的最大亮度時(shí)便可能受到干擾。

尋覓超新星的任務(wù)除了挑戰(zhàn)科學(xué)和科技的極限之外，實(shí)際的工作流程也是一大考驗(yàn)。科學(xué)家得先找到適合的超新星，接著必須測(cè)量出超新星的紅移及亮度，然后配合長(zhǎng)期分析所得到的光變曲線數(shù)據(jù)，如此才能和其他已知距離的同類超新星做比較。整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)要在短時(shí)間內(nèi)迅速?zèng)Q定某顆星是否值得觀測(cè)，他們得同時(shí)用好幾臺(tái)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，必須準(zhǔn)時(shí)獲得使用望遠(yuǎn)鏡的許可，延誤不得。申請(qǐng)使用望遠(yuǎn)鏡的程序常常得花上幾個(gè)月，但研究人員的動(dòng)作要快，否則超新星很快便會(huì)暗淡消失。在這個(gè)過程中，兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的研究團(tuán)隊(duì)還默默打過幾次照面。

這整個(gè)過程中可能出的差錯(cuò)不計(jì)其數(shù)，這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)一度也認(rèn)為自己真的出錯(cuò)了，因?yàn)樗麄儨y(cè)到同樣令人訝異的成果：他們共找到50個(gè)遙遠(yuǎn)的超新星，而每一個(gè)超新星的亮度都比預(yù)估的還低，這和他們?cè)认胂蟮牟煌Ｈ绻钪媾蛎浀乃俣纫呀?jīng)逐漸趨緩，那超新星應(yīng)該會(huì)亮一點(diǎn)才對(duì)，然而這些超新星卻越來越暗淡，它們隨著所處的星系加速遠(yuǎn)離我們。因此研究成果出乎意料：宇宙膨脹并沒有減緩，反而還加速了。

從現(xiàn)在到永恒

那么，究竟是什么力量在驅(qū)使宇宙加速膨脹？這個(gè)力量正是暗能量。暗能量是物理學(xué)中的一道難題，至今無人能解。一些學(xué)者都曾提出相關(guān)假說，而最簡(jiǎn)單的做法就是沿用愛因斯坦提出又自己推翻的宇宙常數(shù)。當(dāng)年愛因斯坦為了得出靜態(tài)宇宙，便在他的方程式中加入一個(gè)反重力的宇宙常數(shù)，以抵消宇宙中物質(zhì)的重力。而如今，這個(gè)宇宙常數(shù)的存在卻反倒解釋了宇宙加速膨脹的現(xiàn)象。

顧名思義，宇宙常數(shù)是恒定不變的，不會(huì)隨著時(shí)間改變，因此幾十億年來，隨著宇宙膨脹，物質(zhì)越來越分散，重力也隨之稀釋，暗能量在宇宙中所占的比例就越來越高了?？茖W(xué)家說，在宇宙的歷史中，宇宙常數(shù)很晚才出現(xiàn)，時(shí)間是五六十億年前，而上述現(xiàn)象正是原因。因?yàn)樵谖辶畠|年前，宇宙中物質(zhì)的重力才終于減弱到比宇宙常數(shù)還小，而在那之前，宇宙膨脹確實(shí)處于減速的狀態(tài)。

宇宙常數(shù)很可能源自真空。但根據(jù)量子物理學(xué)，宇宙的真空并非真的空空如也，而是像一鍋煮沸冒泡的量子湯，物質(zhì)和反物質(zhì)的虛粒子在湯里不斷冒出又消失，如此便會(huì)釋放出能量。然而用最簡(jiǎn)單的方法估算暗能量的結(jié)果，卻跟科學(xué)家在宇宙中實(shí)際測(cè)得的暗能量有很大的差別，整整大了10120倍！因此，理論和實(shí)際觀測(cè)到的現(xiàn)象之間仍存在一道鴻溝，科學(xué)家至今仍無法解釋。10的120次方有多大呢？地球上所有沙灘的沙粒加起來甚至不到10的20次方！

或許暗能量根本不是恒定的，而會(huì)隨著時(shí)間改變；也或許宇宙中存在一個(gè)不定期產(chǎn)生暗能量的未知力場(chǎng)，物理學(xué)中確實(shí)有很多這樣的力場(chǎng)，物理學(xué)家把這些力場(chǎng)統(tǒng)稱為“第五元素”。第五元素能使宇宙加速擴(kuò)張，但只偶爾才會(huì)起作用。如此看來，我們將永遠(yuǎn)無法預(yù)測(cè)宇宙的命運(yùn)。

無論暗能量究竟為何，這股能量似乎確實(shí)存在。它確實(shí)能幫忙拼湊出宇宙的面貌，替物理學(xué)家及天文學(xué)家解答長(zhǎng)久以來的疑惑。依照目前學(xué)界的共識(shí)，宇宙中約有3/4是暗能量，其余則是物質(zhì)。但一般的物質(zhì)，也就是構(gòu)成星系、星星、人類及花朵等的物質(zhì)只占全宇宙的5%，其余全是所謂的“暗物質(zhì)”，目前我們?nèi)砸粺o所知。

暗物質(zhì)是宇宙中另一道難解的謎題。暗物質(zhì)和暗能量一樣，是看不見的，因此我們只能藉由暗能量和暗物質(zhì)產(chǎn)生的效果來分辨二者——暗能量負(fù)責(zé)推，而暗物質(zhì)負(fù)責(zé)拉，二者除了名稱里都有“暗”這個(gè)字外，其他全無共通之處。

因此，2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的發(fā)現(xiàn)，幫助人類看見一個(gè)有95%都是目前科學(xué)無法解釋的宇宙。從今而后，一切又充滿各種可能了。