说说宇宙加速膨胀的那些事儿
在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典科学院内，诺贝尔物理学奖当地时间10月4日11时45分揭晓，美国科学家索尔·珀尔马特、拥有美国和澳大利亚双重国籍的科学家布赖恩·施密特以及美国科学家亚当·里斯，以他们在天体物理学方面的卓越研究成果获此殊荣。诺贝尔物理学奖评选委员会表示，今年诺贝尔物理学奖得主的成就“与整个宇宙相关”，这三位获奖者“研究几十颗处于爆炸状态的恒星、即‘超新星’，发现宇宙正在扩张过程中，扩张速率不断加速”。 <p> </p><p> 尽管科学家在将近一个世纪前便知晓宇宙正在膨胀，但诺贝尔物理学奖评选委员仍用“令人震惊”来形容三位获奖者关于宇宙加速膨胀的发现。评委会声明，他们的研究成果震动了宇宙学理论基础，宇宙在很大程度上依然充满未知数。中国科学技术大学物理学院天文系教授孔旭接受了科技日报的采访，漫谈浩瀚宇宙加速膨胀的发现故事。 </p><p> </p><p> <strong>———— “宇宙学常数”的探求 ———— </strong></p><p> </p><p> 三位科学家的研究，确认了最初由科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出的一种理论，即被他称之为“宇宙学常数”的理论。孔旭介绍说：“1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论——一种将时空结合在一起的引力理论，这也是宇宙学的基础。因为我们的宇宙由地球、太阳和银河系等物质组成，而物体之间有引力相互作用，使得我们的宇宙必然会收缩。” </p><p> </p><p> “但是，在20世纪初，人们认为我们所在的宇宙是静态的，不存在膨胀和收缩。为了抗衡宇宙中物质引力将导致宇宙的收缩，使得宇宙处于静态，爱因斯坦在他的广义相对论引力场方程里加入了一个‘宇宙学常数’项。这项的动力学效果相当于排斥力，这个斥力与物质间的引力正好相抵消，宇宙才能静止。” </p><p> </p><p> 1929年，美国天文学家哈勃发现离我们越远的星系，以越快的速度远离我们，这就是著名的哈勃定律。 </p><p> </p><p> 膨胀宇宙的天文观测结果让人们认识到宇宙不是静止的。晚年时的爱因斯坦曾把“宇宙学常数”的引入，说成是他“一生中最大的失误”。 </p><p> </p><p> <strong>宇宙将最终冰冻 </strong></p><p> </p><p> “基于哈勃发现的星系退行速度和星系距离的关系，我们很容易想到，如果我们逆时间方向往过去追溯，我们的宇宙必然诞生于一个很小的空间。”孔旭说，“这也是1948年美籍俄裔天文学家伽莫夫提出‘热大爆炸宇宙学模型’的观测基础。” </p><p> </p><p> 接下来的问题是宇宙的命运将如何？即宇宙是继续膨胀直至物质无限稀薄，膨胀速度趋于零，宇宙将终结于寒冰；还是膨胀到某一时刻后，因为物质引力的作用，开始收缩，温度不断增高，宇宙将终结于烈火？这些都是科学家正在不断探索的奥秘。 </p><p> </p><p> 诺贝尔评审委员会介绍说：“如果扩张继续加速，宇宙将以冰冻状态终结。”对此，孔旭解释说：“因为宇宙正在膨胀，其密度必定也正在减低，因为物质与物质之间的空间正在加大。随着宇宙的加速膨胀，宇宙中的天体远离速度不断加速，宇宙学红移不断增大，红移使得光子的波长不断变长，频率降低，遥远的宇宙也会变得越来黑暗、越来越冷。当造成膨胀的斥力继续增加，最终会战胜引力，撕碎宇宙中的星系团、银河系、太阳系、最后甚至小小原子等一切物质。所以加速膨胀，最终会使得宇宙以冰冻状态终结。” </p><p> </p><p> 他还举了一个生动的例子：“就如现在某人有1000万元，如果他将钱分给1000个人，每人只有1万元；如果分给1万人，每人只有1000元；随着人数的增加，最终每个人得到的钱数目趋于零。” </p><p> </p><p> <strong>宇宙确实存在一种使得宇宙膨胀不断加速的斥力 </strong></p><p> </p><p> 对于时间和空间的主观感受依赖于观测者本身，但爱因斯坦的理论用一种精确的数学表述方法，科学地度量了“任何事都是相对的”这一经典的格言。 </p><p> </p><p> 当哈勃得意洋洋地将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时，这位常常被称作“孤独的人”的伟大的科学家惭愧极了。他不会知道的是，一代代科学家们仍在孜孜不倦地研究这一“反引力的固定数值”，并在探索中渐渐明白，为什么爱因斯坦如此钟爱这个理论；而今，宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。 </p><p> </p><p> 孔旭说：“历史的发展常常很具有戏剧性，此次获得诺贝尔物理学奖的珀尔马特、施密特和里斯的观测表明宇宙在加速膨胀，宇宙确实存在一种使得宇宙膨胀不断加速的斥力，‘宇宙学常数’代表的斥力项确实是应该要的。” </p><p> </p><p> 三位科学家的研究，确认了最初由爱因斯坦提出的一种理论，科学的发展在这一历史时刻向世界证明了爱因斯坦的“倔强”没有错。 </p><p> </p><p> <strong>———— 给宇宙找一个“标准烛光” ———— </strong></p><p> </p><p> 孔旭介绍，大爆炸宇宙学理论提出后，天文学家们一直在尝试和利用各种不同的手段，希望从观测上能够限制宇宙的终极命运。直到20世纪80年代中期，天文学家们才发现超新星是离我们十分遥远星系的绝佳距离指示器。 </p><p> </p><p> <strong>“Ia型超新星”：绝佳的距离指示器 </strong></p><p> </p><p> 什么是“Ia型超新星”呢？这还要从多种恒星生命的最后归宿——超新星开始解释。孔旭说：“超新星可以理解为恒星演化到晚期的‘回光返照’——恒星死亡之前的突然增亮。” </p><p> </p><p> 根据前身恒星质量的不同，宇宙中的超新星可以分为两类：一种是大质量恒星演化到晚期，核塌缩导致整个星体在短时间内爆炸，使得星体的亮度短时间内可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度。这类超新星被称作“II型超新星”，但是他们的光度差异很大，不能用做距离的指示器。另一种是中、小质量的恒星在燃尽核区燃料后，变成白矮星。当白矮星周围有一个伴星时，白矮星将把其伴星的物质吸引和累积在其表面，到一定程度（即质量上限，约为1.44倍太阳质量）后发生核爆炸。这类超新星被称为“Ia型超新星”。因白矮星有1.44倍太阳质量上限，白矮星发生超新星爆炸时大多都比较接近这个质量，所以它们爆炸前的燃烧物质基本一样多，燃烧发出的光度基本也一样。 </p><p> </p><p> 既然所有的“Ia型超新星”的光度相等，那么根据观测到的一颗“Ia型超新星”的视亮度，就可以推测它到我们的距离。孔旭打了一个比方：“一支蜡烛放在离我们不同距离的地方，它们的亮度会不一样。离我们近，看上去亮；离我们远，看上去暗。这样我们可以通过观测它的亮度来计算蜡烛距我们的距离。”另一方面，科学家还可以观测到这些“Ia型超新星”的光谱，从中测出超新星的光谱中某些谱线的移动量，即天文中所说的“红移”。把测到的超新星的红移和距离一一对应起来，可以画出所谓的哈勃图，不同的宇宙学模型的哈勃图是不一样的，因此用这种办法，可以了解宇宙到底是什么样的。 </p><p> </p><p> <strong>———— 没错，宇宙膨胀在加速 ———— </strong></p><p> </p><p> 有了珀尔马特、施密特和里斯所属的研究小组发现，超过50颗超新星所显现的光度比先前预期暗淡。孔旭阐释了这一研究发现为何可以显示出宇宙正在加速扩张—— </p><p> </p><p> 首先假定宇宙在匀速膨胀，我们可以根据宇宙学模型算出一个距离d0。 </p><p> </p><p> 如果宇宙减速膨胀，即膨胀越来越慢，那么超新星与我们的距离应该是d1，且d1/p> </p><p> </p><p> 如果宇宙在加速膨胀，超新星被所在星系裹挟着，以越来越快的速度相互远离，地球观测者到超新星的距离记作d2，且有d2>d0。这样相当于把一支蜡烛放得更远，它会显得更暗。 </p><p> </p><p> 所以发现超新星光度比匀速膨胀宇宙模型显得暗淡，说明星系和其内部的超新星以越来越快的速度相互远离，宇宙膨胀在加速。 </p><p> </p><p> “宇宙加速膨胀的研究，推进了人类对宇宙的认知。但是对人类的生产、生活没有什么影响，因为人类活动的时间相对于宇宙时标，那真是弹指一挥间。”孔旭说。 </p><p> </p><p> ■延伸阅读 </p><p> </p><p> 宇宙加速膨胀的首次提出 </p><p> </p><p> 因为超新星爆发是罕见的天文现象（一个典型的星系平均每500年才会出现1颗超新星爆发），所以很难利用，使得利用“Ia型超新星”了解宇宙演化项目在1980年代中期开始以来，进展一直很缓慢。经过多年努力，由劳伦斯伯克利实验室佩尔马特领导的“超新星宇宙学项目”研究组和里斯、施密特领导的“高红移超新星”研究组在1998年1月几乎同时公布了他们的观测结果：他们发现，高红移的超新星比他们原来预期的要暗。根据哈勃图，这表明宇宙的膨胀在加速而不是减速。宇宙加速膨胀的结果轰动了整个世界，并在1998年12月被美国《科学》杂志评为“年度科学突破”。（刘晓莹） </p><p> </p><p> 来源： 科技日报 </p><p> </p><p> </p><br />
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