宇宙：加速走向冰冷與死寂

　　2011年10月4日，瑞典斯德哥爾摩，“諾貝爾獎(jiǎng)”評(píng)定委員會(huì)發(fā)布會(huì)上，大屏幕上顯示著3位獲得“物理學(xué)獎(jiǎng)“的科學(xué)家的照片，他們通過對(duì)超新星的觀測而得出結(jié)論：宇宙膨脹不斷加速，而且逐漸變冷。
　　上個(gè)世紀(jì)很長一段時(shí)間，科學(xué)家們認(rèn)為，宇宙始于一場140億年前的大爆炸，此后就不斷膨脹，而根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)間存在萬有引力作用，宇宙的膨脹不會(huì)一直持續(xù)，將不斷減速。然而，3位“諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”得主在十幾年前公布的觀測結(jié)論，“震動(dòng)了宇宙學(xué)的基礎(chǔ)”（評(píng)價(jià)出自瑞典皇家科學(xué)院）。
　　這意味著什么？
　　有科學(xué)家說，隨著宇宙的持續(xù)加速膨脹，天體遠(yuǎn)離速度不斷加速，遙遠(yuǎn)的宇宙將會(huì)變得越來越黑暗、越來越冷，最終將變成無比寒冷的世界，“毀滅于冰”。
　　但沒人知道，這一天會(huì)在何時(shí)。甚至，也沒人知道現(xiàn)在的加速膨脹會(huì)不會(huì)一直持續(xù)。所以也有人認(rèn)為，未來某天宇宙會(huì)減慢膨脹直至重新收縮，恢復(fù)到最初的狀態(tài)，新一輪大爆炸又會(huì)來臨。那么宇宙的命運(yùn)將截然不同，“毀滅于火”。
　　是冰還是火？科學(xué)家們還在探索……
　　“超亮”的超新星
　　此次獲獎(jiǎng)的3位科學(xué)家是美國加州大學(xué)伯克利分校教授索爾·佩爾馬特，出生于美國而擁有美、澳雙重國籍的澳大利亞國立大學(xué)教授布萊恩·施密特，以及美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)教授亞當(dāng)·里斯，他們分屬于兩個(gè)不同的研究小組，但都把目光鎖定Ia型超新星。
　　要理解2011年“諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”3位獲得者的研究，首先得明白他們共同的研究對(duì)象。國家天文臺(tái)宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團(tuán)組首席科學(xué)家陳學(xué)雷告訴《羊城晚報(bào)》記者，超新星的概念是1934年由茨維基和巴德提出的，他們猜測當(dāng)一些恒星壽命結(jié)束時(shí)將會(huì)塌縮然后發(fā)生爆炸，其亮度可達(dá)到10億甚至100億個(gè)太陽的亮度。后來的研究發(fā)現(xiàn)，還有另一種爆炸機(jī)理不同的超新星，現(xiàn)在一般認(rèn)為是白矮星（質(zhì)量比較低的恒星，比如太陽在燃盡核燃料后就會(huì)變成白矮星）從其伴星中吸積物質(zhì)，到一定程度后發(fā)生核爆炸，被稱為Ia型超新星。
　　“超新星很亮，可以在宇宙中很遠(yuǎn)的地方看到?！标悓W(xué)雷說，由于白矮星的質(zhì)量都差不多，科學(xué)家便假定其爆炸時(shí)的亮度也差不多，既然所有的Ia型超新星光度相等，那么根據(jù)一顆Ia超新星的視亮度，就可以推測它到我們的距離。就好比一枝蠟燭，離我們近看上去亮，離我們遠(yuǎn)看上去暗，觀測它的亮度就可計(jì)算蠟燭距我們的距離。
　　科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光源離我們而去時(shí)，光頻率變低，光譜線向紅端偏移，并且離去速度越大紅移量越大，這就是天文物理中的“紅移”現(xiàn)象?？茖W(xué)家可以通過觀測超新星的光譜，從中測出超新星的“紅移”，就可知超新星離開我們的速度如何。就像佩爾·馬特接受采訪時(shí)所說：“這些光線看起來有多紅就告訴了你，自這個(gè)超新星爆炸以來宇宙究竟膨脹了多少。觀測不同的超新星，你就能夠確定出50億年、30億年或者10億年前宇宙有多大，由此就能確定出宇宙是如何隨著時(shí)間而膨脹的。”
　　完全相反的事實(shí)
　　1929年，美國天文學(xué)家哈勃首先發(fā)現(xiàn)了星體間距離不斷變大的現(xiàn)象，證實(shí)了宇宙膨脹理論。主流學(xué)界認(rèn)為，宇宙誕生于約140億年前的一次大爆炸，大爆炸之后宇宙開始不斷膨脹。根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)間存在萬有引力作用，宇宙的膨脹不會(huì)一直持續(xù)，將不斷減速。
　　起初，佩爾馬特和施密特各自領(lǐng)導(dǎo)的研究小組也以為會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在減速的跡象。但到了1997年下半年，他們開始發(fā)現(xiàn)，高紅移的超新星比他們?cè)瓉眍A(yù)期的要暗。如果宇宙膨脹越來越慢的話，超新星應(yīng)該顯得更亮才對(duì)。
　　發(fā)現(xiàn)完全出乎他們的意料，連他們自己一開始都懷疑自己收集的數(shù)據(jù)。這是一個(gè)完全相反的事實(shí)：宇宙膨脹正在加速。兩個(gè)小組經(jīng)過反復(fù)檢查，于1998年1月幾乎同時(shí)公布了自己的觀測結(jié)果。
　　這一結(jié)果轟動(dòng)了世界。宇宙的膨脹正在加速，意味著在蘊(yùn)藏于空間結(jié)構(gòu)中的某種未知能量的推動(dòng)下，宇宙正在分崩離析。陳學(xué)雷說：“它撼動(dòng)了宇宙學(xué)的基石。這就像是你往上扔一個(gè)皮球，結(jié)果發(fā)現(xiàn)皮球并未減速，卻加速向上飛去了！”
　　“雖然少數(shù)學(xué)者懷疑超新星的觀測或數(shù)據(jù)分析有錯(cuò)誤，宇宙并未加速膨脹。但13年來科學(xué)家又觀測了許多超新星，目前總數(shù)有幾百顆，對(duì)其分析也更加深入，雖然還存在很多疑點(diǎn)，比如Ia型超新星爆炸的機(jī)理到底是什么，但數(shù)據(jù)本身經(jīng)過許多不同的天文學(xué)家用不同方法的分析，迄今并未發(fā)現(xiàn)大問題?！标悓W(xué)雷說。
　　暗能量的“斥力”讓宇宙加速膨脹
　　是什么讓宇宙膨脹加速的呢？
　　按照廣義相對(duì)論理論，如果宇宙由一般的“物質(zhì)”（包括所謂的不發(fā)光的“暗物質(zhì)”）組成，其膨脹會(huì)逐漸減速，這是萬有引力的作用，因?yàn)槿魏蝺蓚€(gè)物體都是相互吸引的，引力的大小跟這兩個(gè)物體的質(zhì)量乘積成正比，跟它們的距離的二次方成反比。
　　如何解釋觀測到的宇宙膨脹加速呢？
　　“目前主流的解釋是引入‘暗能量’的概念?！标悓W(xué)雷表示，暗能量實(shí)際上也是物質(zhì)的一種形式，但具有很奇特的性質(zhì)。比如，它的有效“壓強(qiáng)”小于0，這些壓強(qiáng)項(xiàng)使時(shí)空的彎曲與一般物質(zhì)造成的時(shí)空彎曲相反，因此可以理解成是與萬有引力相對(duì)的“斥力”，可以導(dǎo)致宇宙加速膨脹。
　　據(jù)陳學(xué)雷介紹，科學(xué)家引入暗能量概念并不是無中生有，而是有一些證據(jù)證明它的存在。例如早在觀測結(jié)果公布之前，就有一些科學(xué)家根據(jù)宇宙年齡、物質(zhì)密度和功率譜等因素考慮，認(rèn)為宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景輻射、重子聲波振蕩等其他觀測也支持宇宙中存在暗能量的理論。
　　“根據(jù)現(xiàn)在對(duì)宇宙微波背景輻射、超新星等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合表明，宇宙中大約75%是暗能量，21%左右是不發(fā)光的暗物質(zhì)，我們熟悉的普通物質(zhì)僅占4%多一點(diǎn)?！标悓W(xué)雷表示，暗能量是大多數(shù)人所接受的模型，但它的本質(zhì)仍然是謎。
　　命運(yùn)之謎仍未知
　　宇宙加速膨脹又意味著什么？
　　陳學(xué)雷解釋，意味著那些遙遠(yuǎn)的星系將加速遠(yuǎn)離銀河系，如果不斷加速下去，它們的光將無法再傳到地球，完全消失于視野之外，最后銀河系就成了宇宙中真正的孤家寡人了。
　　不過，目前沒人知道現(xiàn)在的這次加速膨脹會(huì)不會(huì)一直持續(xù)。誠如佩爾馬特接受采訪時(shí)說：“應(yīng)該記住，我們并不知道是什么導(dǎo)致了當(dāng)前的加速……誰知道我們現(xiàn)在看到的加速是不是也會(huì)停止，然后宇宙開始坍縮。所以，我要說的是，除非我們搞清楚了宇宙加速膨脹的原因，否則宇宙的命運(yùn)將始終是個(gè)未知的謎?！?br/>　　國內(nèi)學(xué)者的探索
　　2011年“諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”的發(fā)現(xiàn)，向科學(xué)界揭露了一個(gè)近96%的成分仍然未知的宇宙，這些都是科學(xué)家正在不斷探索的奧秘。陳學(xué)雷說：“像國內(nèi)一些天文學(xué)家結(jié)合我國實(shí)際，提出了一些未來的暗能量實(shí)驗(yàn)觀測計(jì)劃，例如，在南極冰穹A（那里的觀測條件好）建造大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等。我也正在推動(dòng)開展‘天籟計(jì)劃’研究，研制專用射電望遠(yuǎn)鏡陣列進(jìn)行巡天觀測，借此研究暗能量的性質(zhì)。希望未來我國在此領(lǐng)域也能有重大發(fā)現(xiàn)?！?br/>　?。ㄕ浴堆虺峭韴?bào)》 作者：陳