2011诺贝尔物理奖: 超新星、宇宙膨胀、暗能量

岳东晓

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，宇宙膨胀将会越来越快。

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。这完全是误解。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。但是，如果宇宙加速膨胀，最后膨胀速度超过光速，那所有的相互作用都无法传递了。。。
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