2011年的诺贝尔物理学家授予了三位天文学家Saul Perlmutter,Brian P. Schmidt,Adam G. Riess,他们的贡献是通过对超新星的观测发现宇宙正在加速膨胀。其结果对人类对宇宙的认识有深刻的影响。要理解他们工作需要多方面的知识。下面,我试图做一个简介。
现有的理论认为,宇宙的产生是从一个极小的空间开始急剧膨胀,然后进入一个相对缓慢的膨胀阶段。这被形象的称为宇宙大爆炸理论。这个理论得到了非常完美的 观测验证。它能精确推导出现有宇宙的很多属性,包括各种化学元素的比例,微波背景辐射的温度,等等。这个理论并非异想天开,而是根据天文观测结果做出的推 断。
早在20世纪初,科学家们通过天文观测发现,远处星系发出的光的波长被拉长了。之所以知道光波被拉长,是因为我们知道这些光的“正确”的波长。电子围绕原 子核运动时,只能在一些固定的能级上,电子在不同能级之间跃迁时发出(或吸收)的光的波长也就是确定的。科学家发现,如果把远处星系的光谱给移动一下,就 能正好与各种物质的固有波长对应上。因为波长被拉长,也就是频率降低,我们把这个光谱的变化称为红移。
不仅如此,科学家们还发现,距离越远的星系,其光谱红移量越大,也就是光的波长被拉得越长。对此,科学的解释是,我们看到的光实际上是以前发出来的,因为 宇宙在膨胀,也就是空间在膨胀,光在传播过程中被拉长了。距离越远,实际上我们看到的更久以前的光,举例说,我们看到的一个距离500万光年的天体的光是 500万年前发出来的,而我们看到的一个距离1000万光年的天体发出的光是1000万年前发出的。由于宇宙一直在膨胀,那么这个1000万年前的光在传 播过程中就被拉长得更多,或者说红移量更大。
光的红移量很好测量,但是远处星系的距离是怎么测出来的呢?怎么知道一个星系是在500万光年还是1000万光年的距离外呢?这么大的距离是不可能通过三 角几何方法计算的。而通常方法是,找一种亮度很大的星体作为标准蜡烛,通过测量这类标准星体的亮度来计算距离。显然这种计算,要求这种星体的亮度相同,否 则就没法比较了。有一种亮度会变化的恒星就是作为标准蜡烛的良好选择,它们的质量为太阳的若干倍,亮度强10万倍。
但要确定超过1亿光年这么大的距离,靠恒星作为标准蜡烛是不够的。科学家发现,有一种类型的超新星(称为Type Ia超新星)的最大亮度几乎完全一致,而且其亮度比太阳大若干亿倍。 是作为测量距离的上佳选择。如果用这类超新星为标准,可以确定10亿光年的距离,这就使我们能够测量10亿年以前宇宙膨胀的速度。
但是要用超新星作为标准面临一系列困难。超新星爆发并不频繁,一个星系平均一百年才有一次。人类有文字记载的历史以来,整个银河系只观测了聊聊几次超新星 爆发。人类最早一次超新星记载是公元185年,见于中国的《后汉书》,然后是宋朝记载了一次。不仅如此,超新星爆发后,一般几个月就暗淡下去了,因此必须及时观测,而世界上大型望远镜的观测 时间是有限的。
这三位获奖的天文学家解决了上面的问题。其中加州大学伯克莱分校的那位的方法是,每个月新月的时候对的大量星系拍照,然后下个月同一时间再拍照,然后用计算机进行比对,找出超新星,然后迅速跟踪进行光学分析。这样获得了大量的星系红移与距离的数据。
其结果是惊人的。他们分析数据发现,宇宙正在加速膨胀。换言之,宇宙的膨胀越来越快。
根据广义相对论的方程(用牛顿引力理论也能恰好得出类似结果:见附图),宇宙的膨胀的加速度a与物质密度d,压强p,半径r的关系是
a = - 4*pi/3 ( d+ 3p)*r
由这个方程可见,如果压力p的正的,膨胀加速度为负值。但如果压强是负的,膨胀加速度就可能是正的,宇宙膨胀将以几何增长的形式越来越快。
过去10多年来各种观测的结果都证明,宇宙确实是在加速膨胀。也就是说,宇宙存在一种负压强。这种负压强源自真空的能量,被称为暗能量。
有读者可能会问,如果真空有能量,宇宙不断膨胀,空间体积增加,那能量不是凭空产生,越来越多吗?
答案是,虽然暗能量在增加,但引力能量是负的,可能正好与增加的暗能量抵消。
物理学家费曼在1960年代就猜想,整个宇宙的能量总和为零。考虑一个半径为R,质量为M的球体,其引力能(负值)为 -3/5* GM^2/R,而其相对论能量为M*c^2 (c为光速)。宇宙的质量约 10^54 kg, 半径约 460亿光年,把这些数据代入,我们发现引力负能确实基本与其质能抵消。
更进一步,有很多人认为宇宙可能完全产生于虚无之中。
宇宙加速膨胀的后果是什么呢?那些遥远的星系将加速远离银河系。如果不断加速下去,它们会以超过光速的速度离我们远去,它们的光也就无法再传到地球,完全消失在视野之外。最后,银河系就成了宇宙中真正的孤家寡人了(注)。
当然,这是很就很久以后的事情。
注:看到网上有报道说,宇宙膨胀,所有东西都会稀释。这是误解。空间膨胀不等于物体也膨胀,就像一个人住进大一倍的房子,头并不会大一倍一样。再打个比方,两只蚂蚁在一个气球表面上,现在把气球吹大,蚂蚁发现它们之间的距离在增加,空间在膨胀,但蚂蚁还是蚂蚁,不会变成蚂蚱大小。同理,一个星系是由引力束缚在一起的,不会因为空间膨胀而放大。当然,微波背景辐射会随着宇宙膨胀,其波长会被拉得越来越长,直到完全无法观测。
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