宇宙加速膨脹完整圖文解讀

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1、宇宙加速膨脹完整圖文解讀Steed發(fā)表于2011-10-06寫在恒星之中“有人說(shuō)世界將終結(jié)于烈火，有人說(shuō)將終結(jié)于寒冰……”宇宙最終的命運(yùn)是什么？或許它將終結(jié)于寒冰，如果我們打算相信今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的話。他們已經(jīng)仔細(xì)研究了幾十顆遙遠(yuǎn)星系之中被稱為“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨脹的結(jié)論。即便是對(duì)這些獲獎(jiǎng)?wù)叨?，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也完全出乎他們的意料。他們看到的現(xiàn)象，就好比是把一個(gè)小球拋向了空中，卻沒(méi)有看到它落回來(lái)，反倒看著它越來(lái)越快地上升，最終消失在了空中，仿佛引力無(wú)法逆轉(zhuǎn)小球上升的

2、軌跡一般。類似的事情似乎發(fā)生在整個(gè)宇宙當(dāng)中。[世界正在膨脹。宇宙的膨脹始于140億年前的大爆炸，但在最初幾十億年里，宇宙膨脹的速度是越來(lái)越慢的。但最終，它開(kāi)始加速膨脹。這種加速被認(rèn)為是由暗能量驅(qū)動(dòng)的，這種暗能量起初只占宇宙的一小部分。但隨著物質(zhì)在宇宙膨脹過(guò)程中逐漸稀釋，暗能量變得越來(lái)越顯著。]宇宙膨脹的這種加速度暗示，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。這種所謂的“暗能量”（darkenergy）占據(jù)了宇宙成分的絕大部分，含量超過(guò)70%。它的本質(zhì)仍然是謎，或許是今天的物理學(xué)面臨的最大

3、謎題。所以難怪，當(dāng)兩個(gè)不同的研究團(tuán)隊(duì)在1998年公布相似的結(jié)果時(shí)，宇宙學(xué)的根基被撼動(dòng)了。索爾?佩爾穆特（SaulPerlmutter）領(lǐng)導(dǎo)著其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)，即1988年啟動(dòng)的“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”（SupernovaCosmologyProject）。布萊恩?施密特（BrianSchmidt）領(lǐng)導(dǎo)著另一個(gè)團(tuán)隊(duì)，即1994年啟動(dòng)的“高紅移超新星研究組”（High-zSupernovaSearchTeam）展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，亞當(dāng)?里斯（AdamRiess）在其中起到了至關(guān)重要的作用。兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)尋找遙遠(yuǎn)空間中爆發(fā)的超新

4、星，展開(kāi)了繪制宇宙“地圖”的競(jìng)賽。通過(guò)確定這些超新星的距離和它們離我們而去的速度，科學(xué)家希望能夠揭開(kāi)我們宇宙的最終命運(yùn)。他們本來(lái)以為，自己會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在減速的跡象，這種減速將決定宇宙會(huì)終結(jié)于烈火還是寒冰。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)了完全相反的事實(shí)——宇宙膨脹正在加速。[一閃一閃亮晶晶，天上星星在哪里……]宇宙在膨脹天文學(xué)發(fā)現(xiàn)顛覆我們對(duì)于宇宙的觀點(diǎn)，這已經(jīng)不是第一次了。就在100年前，人們還認(rèn)為宇宙是一個(gè)寧?kù)o的所在，比我們的銀河系大不了多少。宇宙學(xué)時(shí)鐘可靠而又穩(wěn)定地滴答作響，記錄著時(shí)間的平穩(wěn)流逝，而宇宙本身則是永恒的

5、，無(wú)始無(wú)終。但沒(méi)過(guò)多久，一種顛覆性的紅移就改變了人們的這種觀點(diǎn)。在20世紀(jì)初，美國(guó)天文學(xué)家漢麗埃塔?斯萬(wàn)?勒維特（HenriettaSwanLeavitt）發(fā)現(xiàn)了一種測(cè)量遙遠(yuǎn)恒星距離的方法。當(dāng)時(shí)，女性天文學(xué)家沒(méi)有接觸大型望遠(yuǎn)鏡的資格，但她們被天文臺(tái)雇傭，來(lái)從事分析照相底板的繁重工作。漢麗埃塔?勒維特研究了上千顆被稱為造父變星（Cepheid）的脈動(dòng)變星，發(fā)現(xiàn)越明亮的造父變星，脈動(dòng)的周期也越長(zhǎng)。利用這樣的信息，勒維特能夠計(jì)算出造父變星自身的亮度。只要有一顆造父變星的距離是已知的，其他造父變星的距離就可以推算出

6、來(lái)——恒星的光顯得越暗，它的距離就越遠(yuǎn)。一種可靠的標(biāo)準(zhǔn)燭光就這樣誕生了，直到今天，它們?nèi)允怯钪婢嚯x標(biāo)尺上的第一個(gè)標(biāo)記。利用這些造父變星，天文學(xué)家很快就得出結(jié)論——銀河系只是宇宙中許多星系中普普通通的一個(gè)。到了20世紀(jì)20年代，美國(guó)加利福尼亞威爾遜山上當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡投入了使用，這讓天文學(xué)家能夠證明，幾乎所有星系都在遠(yuǎn)離我們而去。他們研究的是一種叫做“紅移”（redshift）的現(xiàn)象，當(dāng)光源遠(yuǎn)離我們而去時(shí)就會(huì)出現(xiàn)。光的波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)，而波長(zhǎng)越長(zhǎng)，它的顏色就越紅。天文學(xué)家得出的結(jié)論是，星系不光在離我們而去，

7、彼此之間也在相互遠(yuǎn)離，而且距離越遠(yuǎn)，逃離的速度就越快——這被稱為哈勃定律（Hubble’slaw）。宇宙正在膨脹。[具有穩(wěn)定亮度的標(biāo)準(zhǔn)燭光，是測(cè)量遙遠(yuǎn)恒星的距離所必需的。]宇宙學(xué)常數(shù)的歸去來(lái)兮觀測(cè)到的宇宙膨脹，在理論計(jì)算中其實(shí)已經(jīng)被人提出過(guò)了。1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了他的廣義相對(duì)論，此后這一直是我們理解宇宙的基礎(chǔ)。按照廣義相對(duì)論，宇宙只能收縮或者膨脹，不可能穩(wěn)定不變。這個(gè)令人不安的結(jié)論，提出的時(shí)間比天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系遠(yuǎn)離早了差不多10年。就連愛(ài)因斯坦都難以忍受宇宙不可能穩(wěn)定不變這一事實(shí)。因此，為了消滅這種他

8、不想要的宇宙膨脹，愛(ài)因斯坦在他的方程里加了一個(gè)常數(shù)，他稱之為“宇宙學(xué)常數(shù)”（cosmologicalconstant）。后來(lái)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為，加上這個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)是一個(gè)大錯(cuò)誤。然而，有了那些完成于1997-1998年、并在今年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的宇宙學(xué)觀測(cè)，我們可以得出這樣的結(jié)論——愛(ài)因斯坦加上宇宙學(xué)常數(shù)的這一招實(shí)在是聰明絕頂，雖然他當(dāng)年的理由是錯(cuò)的。發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹，讓我們邁出了奠定基礎(chǔ)的第一步，最終得出了今天的標(biāo)準(zhǔn)宇