宇宙在膨脹

      天文學(xué)發(fā)現(xiàn)顛覆我們對于宇宙的觀點(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)寧靜的所在，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，無始無終。但沒過多久，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，美國天文學(xué)家漢麗埃塔?斯萬?勒維特（Henrietta Swan Leavitt）發(fā)現(xiàn)了一種測量遙遠(yuǎn)恒星距離的方法。當(dāng)時(shí)，女性天文學(xué)家沒有接觸大型望遠(yuǎn)鏡的資格，但她們被天文臺雇傭，來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。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來——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)。光的波長會(huì)被拉長，而波長越長，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，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’s law）。宇宙正在膨脹。

觀測到的宇宙膨脹，在理論計(jì)算中其實(shí)已經(jīng)被人提出過了。1915年，愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對論，此后這一直是我們理解宇宙的基礎(chǔ)。按照廣義相對論，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，為了消滅這種他不想要的宇宙膨脹，愛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)”（ cosmological constant）。后來，愛因斯坦認(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，我們可以得出這樣的結(jié)論——愛因斯坦加上宇宙學(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)宇宙學(xué)觀點(diǎn)，即宇宙誕生于大約140億年前的一場大爆炸。時(shí)間和空間都起始于那一時(shí)刻。從那時(shí)起，宇宙就一直在膨脹；星系則像是烤箱中正在膨脹的蛋糕里夾雜的葡萄干，由于宇宙學(xué)膨脹而彼此遠(yuǎn)離。但未來的命運(yùn)又將如何？

當(dāng)愛因斯坦放棄宇宙學(xué)常數(shù)，轉(zhuǎn)而向非靜態(tài)宇宙觀點(diǎn)投誠時(shí)，他把宇宙的幾何形狀同宇宙的命運(yùn)聯(lián)系了起來。宇宙到底是開放的、閉合的，還是介于兩者之間——是平坦的呢？

開放的宇宙，指的是物質(zhì)引力不足以阻止宇宙膨脹。這樣的話，所有物質(zhì)都會(huì)在一個(gè)越來越大、越來越冷、越來越空曠的空間中不斷稀釋下去。閉合的宇宙則剛好相反，引力強(qiáng)大的足以停止甚至逆轉(zhuǎn)宇宙的膨脹。這樣的話，宇宙最終會(huì)停止膨脹，然后坍縮回來，在一場熾熱而劇烈的大擠壓（Big Crunch）中終結(jié)。然而，大多數(shù)宇宙學(xué)家都更喜歡生活在一個(gè)最簡單、數(shù)學(xué)上也最優(yōu)雅的宇宙之中——這就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨脹會(huì)越來越慢。因此，宇宙最終不是會(huì)終

結(jié)于烈火，就是會(huì)終結(jié)于寒冰。這是我們無法選擇的事情。如果存在宇宙學(xué)常數(shù)，那么膨脹就將持續(xù)加速，哪怕宇宙是平坦的。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者當(dāng)年認(rèn)為，他們會(huì)測量到宇宙減速膨脹，測量出宇宙膨脹的速度是如何減慢的。他們采用的方法，從原理上講，跟60多年前天文學(xué)家所用的方法是一樣的——那就是給遙遠(yuǎn)的恒星定位，并測量它們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)。然而，說起來容易做起來難。自漢麗埃塔?勒維特發(fā)現(xiàn)造父變星的秘密以來，天文學(xué)家在越來越遠(yuǎn)的距離上找到了許多其他的造父變星。但在天文學(xué)家所要測量的距離上，即數(shù)十億光年以外，造父變星已經(jīng)無法看見。宇宙標(biāo)尺必須延長才行。

超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的標(biāo)準(zhǔn)燭光。地面和太空中越來越先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，以及越來越強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在20世紀(jì)90年代開啟了全新的可能性，讓天文學(xué)家有能力為宇宙學(xué)拼圖填上更多空缺的內(nèi)容。其中最關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)步，則是光敏數(shù)碼成像傳感器CCD的發(fā)明——發(fā)明者威廉?波義耳（Willard Boyle）和喬治?史密斯（George Smith）因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

天文學(xué)家工具箱中的最新工具，是一類特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短幾星期之內(nèi)，單單一顆這樣的超新星發(fā)出的光足以與整個(gè)星系相抗衡。這類超新星是白矮星（white dwarf）爆炸的結(jié)果——這種超致密老年恒星像太陽一樣重，卻只有地球這么大。這種爆炸是白矮星生命循環(huán)中的最后一步。

白矮星是一顆恒星核心處無法提供更多能量時(shí)形成的，因?yàn)樗械臍浜秃ざ家呀?jīng)在核反應(yīng)中耗盡了，只剩下了碳和氧。通過同樣的方式，在久遠(yuǎn)的未來，我們的太陽也會(huì)變成一顆白矮星，最終變得越來越暗，越來越冷。

如果一顆白矮星處在一個(gè)雙星系統(tǒng)之中（這是相當(dāng)常見的），那么就會(huì)有更令人激動(dòng)的結(jié)局在等待著它。在這種情況下，白矮星強(qiáng)大的引力會(huì)從它的伴星身上搶奪氣體。然而，一旦白矮星超過1.4倍太陽質(zhì)量，它就再也無法維持下去了。此時(shí)，白矮星內(nèi)部會(huì)變得足夠熾熱，啟動(dòng)一場失控的核聚變反應(yīng)，整個(gè)恒星會(huì)在幾秒鐘內(nèi)被炸得粉身碎骨。

這些核聚變產(chǎn)物會(huì)釋放出強(qiáng)烈的輻射，在爆炸之后的最初幾星期內(nèi)迅速增亮，直到隨后的幾個(gè)月內(nèi)才逐漸變暗。因此，發(fā)現(xiàn)這些超新星必須要快，因?yàn)樗鼈儎×业谋l(fā)相當(dāng)短暫。在整個(gè)可觀測宇宙之中，平均每分鐘大約爆發(fā)10顆Ia型超新星。但宇宙實(shí)在太過巨大。一個(gè)典型的星系平均每1000年才會(huì)出現(xiàn)一到兩顆超新星爆發(fā)。2011年9月，我們很幸運(yùn)地在北斗七星附近的一個(gè)星系中觀測到了這樣一顆超新星爆發(fā)，通過一副普通的雙筒望遠(yuǎn)鏡就能夠看到。但大多數(shù)超新星離我們要遙遠(yuǎn)得多，因而也暗淡得多。那么，面對這么大一片天空，我們究竟應(yīng)該在什么時(shí)間往哪里看呢？