宇宙在加速膨胀吗?

2011年诺贝尔物理学奖于北京时间2011年10月4日揭晓，美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔・波尔马特、美国科学家亚当・里斯以及美国/澳大利亚物理学家布莱恩・施密特获得2011年诺贝尔物理学奖。三人仔细研究了若干颗遥远星系之中被称为“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的惊人结论。这使人们再一次对宇宙的发展认知掀起一股高潮。

早在1915年，物理学家爱因斯坦发表了广义相对论，此后这一直是我们理解宇宙的理论基础。按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨胀，不可能稳定不变。那么宇宙究竟在收缩还是在膨胀呢？如果膨胀，其速度是否恒定？是在减慢或是还在加速呢？

上世纪20年代，美国加利福尼亚威尔逊山上，当时世界上最大的望远镜投入了使用，天文学家们发现几乎所有星系都在远离我们而去。他们发现当光源远离我们而去时，光的波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红，这被称作“红移（redshift）”现象。目前对红移现象的解释为：速度造成红移。比如，当一辆汽车向我们奔驰而来时，它的喇叭声尖锐刺耳，因为汽车的高速运动使声波波长被压缩，波长变小，听者接收的频率变高。相反，当汽车离开我们飞驰而去时，它的喇叭声则低沉幽缓，因为汽车的离去使声波波长被拉长，波长变大，听者接收的频率变低，简称多普勒效应。20世纪初，天文学家斯里弗对旋涡星云光谱做了多年研究，发现了谱线红移现象。在斯里弗观测的基础上，哈勃与助手赫马森合作，对遥远星系的距离与红移进行了大量测量工作，发现远方星系的谱线均有红移，而且距离越远的星系，红移越大，于是得出重要的结论：星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速度越高。这被称为哈勃定律（Hubble’s law）。他认为：整个宇宙在不断膨胀，星系彼此之间的分离运动也是膨胀的一部份，而不是由于任何斥力的作用。这一发现直接导致俄裔美国天体物理学家伽莫夫的“宇宙大爆炸理论”的提出。伽莫夫认为，我们的宇宙诞生于约137±2亿年的一次大爆炸，宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。星系天体的退行原因正是这次宇宙大爆炸的冲力导致的。

从此之后，天体物理学界一直都认为宇宙是在以一个恒定的速度膨胀，直到天体物理学家萨尔・波尔马特、科学家亚当・里斯以及物理学家布莱恩・施密特这三位科学家于1998年向外公布：宇宙的膨胀速度不是恒定的，更不是越来越慢，而是不断加速，即越来越快。他们通过寻找太空中的标记，研究宇宙膨胀问题。这些标记就是爆炸的恒星――1A型超新星。由于其非常亮，超新星被用来确定距离。只要找到足够的1A型超新星，就能测量它们的亮度。亮度较高的超新星距离比较近，亮度越来越弱的超新星，一定是离我们越来越远。亮度很低的超新星，距离就很遥远了。1A型超新星同时有个重要的特点，它们爆炸的亮度都是相同的，超新星的光度曲线普遍都具有一个相同的光度峰值，这使得它们可被用作辅助天文学上的标准烛光。这是因为它们形成的过程都一样，每个1A型超新星都是在相同质量时爆炸。因此，宇宙各处都有相同的亮度和可见度。三位科学家找到若干个1A型超新星，并测量它们远离我们的速度。通过比较不同时空的超新星的位置和年代，便能计算出宇宙的膨胀是否在变慢。他们得到了惊人的结果：宇宙的膨胀速度并未变慢，反而是正在加速。这一惊人的发现意味着，宇宙不会停止膨胀，反而在不断加速膨胀。这可是一个石破天惊的发现，这个结果的出现直接撼动整个天体、物理学界，根据牛顿万有引力定律，宇宙大爆炸所产生的冲力在引力的作用和牵制下，星系天体的退行速度应该渐于趋缓直至稳定平衡，可是这三位科学家的发现却与牛顿万有引力定律相互矛盾，如何解决、诠释这二者之间的矛盾呢？物理学家们认为只有一种可能，那就是宇宙之中存在着一种与引力作用方向相反（反引力作用力）、至今人类还没有发现的神秘力量！物理学界把这种与引力作用方向相反、至今人类还未知的神秘作用力称为“暗能量”，并且认为，正是这种“暗能量”推动星系天体快速膨胀退行。宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。这种所谓的“暗能量”占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。因而现代天文学认为：我们的宇宙最初的膨胀是由于最开始的大爆炸而产生的结果，也就是说，物体由于具有惯性，而在原始大爆炸之后继续膨胀。后来，由于物质之间的万有引力的作用，这个膨胀开始变慢，可是在大约100亿年前，宇宙中的“暗能量”在与万有引力的交锋中占据上锋，于是宇宙的膨胀又开始加速了。

2011年诺贝尔物理学奖的公布和颁发，将意味着物理学界正式承认并接纳“暗能量”为物理学中的一个基本概念，同时也就意味着：物理学界正式承认并接纳宇宙之中存在着一种与引力作用方向相反、至今还没被人类发现的未知力量这一事实。

宇宙膨胀究竟会到什么时候，未来的发展又会如何，还期待着我们继续前行！