互动科普

从艾萨克·牛顿时代到1990年代后期，万有引力的定义特征都是其相互吸引的本质。引力让我们待在地面上，它减缓棒球上升的速度，并且使得月球环绕我们的地球旋转。引力防止我们的太阳系四散飞离，而且将庞大的星系团束缚在一起。尽管爱因斯坦的广义相对论允许引力既能够相互吸引也可以相互排斥，但是大多数物理学家认为这种情况仅具有纯粹理论上的可能性，而与现今的宇宙无关。直到最近，天文学家仍然期盼着看到引力使得宇宙膨胀放慢脚步。

然而在1998年，研究人员发现引力具有排斥的一面。通过观测遥远的超新星爆发——恒星在瞬间爆炸并且达到100亿个太阳的亮度，天文学家发现它们的亮度比预期的要弱。对于这种差异最有说服力的解释是，这个发生在数十亿年前的超新星爆发所产生的光穿越的路程比理论家们预测的要更远。反过来，由这些解释带来的结论则是，事实上宇宙的嘭胀非但没有减慢，而且是在加速。这是一个具有根本变革意义的发现，以致干有些宇宙学家宁愿认为超新星亮度的衰减是由于其他效应所导致的，例如银河间的尘埃减弱了光的亮度。尽管如此，在过去儿年中，通过研究更遥远的超新星煤发，天文学家进一步验证了宇宙加速膨胀的事实。

那么，宇宙膨胀是从其诞生之后就一直在加速，还是最近才发展到现在这种状态，也就是说发生在最近50亿年左右？答案将具有深远的启示。如果科学家发现宇宙膨胀一直处于加速，那么他们将不得不彻底修改对宇宙演化的理解。但是如果像宇宙学家所期望的，加速膨胀只是最近的现象，那么通过了解宇宙膨胀是何时以及如何开始加速的，研究人员也许能够找出其原因，而且有时能解答宇宙未来命运这种更大的问题。

物质与暗能量的角力战

大约75年前，天文学家埃德温。哈勃观测到其他星系正在远离我们的银河系，从而发现宇宙在膨胀。他注意到较遥远的星系退行的速度比较近的星系要快，这与现在所谓的哈勃定律（星系的相对速度等于断离乘以哈勃常数）相吻合。根据爱因斯坦的广义相对论来看，哈勃定律源自于宇宙空间的均衡膨胀，即宇宙的体积完全按比例增大[参看49页上图]。

在爱因斯坦的理论中，对于所有已知形式的物质和能量，万有引力作为吸引力的性质依然成立，即使在宇宙尺度上也是如此。因此，广义相对论预言宇宙的膨胀将会减缓，减缓速率决定于其内部物质和能量的密度。但是，广义相对论还允许存在一种具有奇异性质的能量形式，它可以产生排斥引力[参看50页解释]。加速（而不是减速）膨胀的发现显然揭示出的确存在着这种能量形式，即所谓暗能量。

到底膨胀是减缓还是加速要取决于两种巨大力量的对比，即物质的吸引引力与暗能量的排斥引力这两者之间的抗衡。在这场竞争中起决定作用的是它们各自的密度。物质的密度随着宇宙的膨胀而减少，因为空间的体积在扩大。(宇宙中只有一小部分物质是以发光星体的形式存在，其余大部分都被认为是暗物质，它们不是以明显的方式与普通物质或光线发生相互作用，但是仍具有吸引引力。）尽管我们对有关暗能量的了解很少，但可推测其密度随宇宙膨胀的改变很小甚至根本不会改变。目前，暗能量的密度要高于物质密度，但是在遥远的过去，物质的密度要比现在大，因此那时的宇宙应当是处于减速膨胀的阶段[参见51页右图]。

宇宙学家还有其他的理由认为宇宙膨胀并非一直都在加速。假如宇宙一直在加速膨胀，那么科学家将无法解释今天所观察到的宇宙结构。根据宇宙理论，星系、星系团以及更大的星系结构都是从早期宇宙物质密度分布均匀性的微小差异演化而来，这可通过宇宙微波背景辐射（CMB)的温度差异情况显示出来。在物质分布较密集的区域，较强的吸引引力使得这些区域停止膨胀，从而得以形成受引力束缚的天体，包括星系（例如我们的银河系）和大的星系团。但是如果宇宙的膨胀一直在加速，那么它会使得这些结构在形成之前就已分离t而且如果膨胀一直在加速，早期宇宙的两个关键方面即宇宙微波背景辐射的差异模式以及大爆炸之后数秒钟内产生的轻元素的密度，也将与当前的观测不一致。

然而，更为重要的是寻找宇宙早期曾经减速膨胀的直接证据。这些证据将有助干确立标准的宇宙模型，并且为科学家提供一条线索，以确定当前阶段宇宙加速膨胀的原因。由干望远镜从遥远的恒星和星系看到的光线来自遥远的过去，天文学家可以通过观测远方星体来探索宇宙的嘭胀历史，而这一历史就隐藏在星系的距离和其退行速度之间的关系中。如果膨胀在减缓，那么远方星系的退行速度便会比根据哈勃定律所预期的速度要快。如果膨胀在加速，远方星系的退行速度便会小于预期值。换句话说，如果宇宙膨胀在加速，那么具有某一给定退行速度的星系将比预期的距离更远，因此亮度更弱[参见49页下图]。

搜导超新星

要利用这一简单的关系，就必须找到一颗可知其内禀光度（天体每秒种所产生的辐射量）并且在距离我们很远时也能被观测到的天体。一种名为Ia型的特殊超新星非常适合这一角色。这种超新星爆发时的亮度非常髙，以致在半个可视宇宙之外都能用地面望远镜观测到它们，而哈勃空间望远镜则能够从更远的地方看到它们。在过去10年中，研究人员已经仔细校准了Ia型超新星的内禀光度，因此可以通过其视亮度来确定超新星爆发与我们的距离。

通过测量来自超新星所在星系的光的红移，天文学家能够推断出该超新星的退行速度。由于退行天体发出的光线会移向较长的波长，例如当宇宙只有现在一半大小时，星体发出的光线的波长会倍增而且偏向红光。通过测量位于不同距离的超新星的红移和视亮度，研究人员便可以建立起宇宙膨胀的记录。

遗憾的是，Ia型起新星很少见，在类似银河系这样的星系中，平均好几个世纪才出现一次。用于搜索超新星的办法是反复观测包含有成千上万星系的同一片太空区域，然后比对这些图像。如果在一张图像上突然出现一个光点，而以前的图像中却没有，那么就可能是一次超新星爆发。1998年显示宇宙在加速膨胀的证据就是基于两组研究人员对一次超新星爆发的观测，那次爆发发生在距今大约50亿年前，当时的宇宙大小只有现在的三分之二左右。

尽管如此，仍然有一些科学家质疑这两组研究人员解释这些超新星数据的正确性。是否可能存在宇宙加速膨胀之外的其他效应致使超新星比预期的要昏暗？布满星际空间中的尘埃也可能使得超新星看上去更昏暗，或者也可能是早期超新星在诞生时就比较暗，因为当时宇宙的化学成份与现在不同，由恒星核反应所产生的重元素比较少。

值得庆幸的是，有一种不错的方法可以检验这些假说是否正确。如果是由于天体物押上的原因导致超新星看上去比预期的要暗淡，例如是宇宙尘埃的弥漫性遮蔽，或者是早期超新星诞生时就比较暗，那么这种假设的昏暗效应应当随着天体红移的增大而增加。相反，如果超新星变得昏暗是由于宇宙在经历了较早时期的减速膨胀之后近期加速膨胀的结果，那么来自减速膨胀时期的超新星应当显得相对更亮。因此，通过观测当宇宙的大小还不到现在大小的三分之二时的超新星爆发，便可以获得相应证据说明哪个假说是正确的。（当然，也可能存在一种未知的天体物理现象能够与加速和减速膨胀效应精确吻合，但是科学家一般不支持这种臆造的解释。）

然而，要找到这种发生在很久以前而且距离遥远的超新星十分困难。发生在宇宙为现在大小一半时的一次Ia型超新星爆发，其亮度大约是天空中最亮的一颗恒星天狼星亮度的100亿分之一。地面望远镜无法可靠地探测到这些天体，但是哈勃天文望远镜可以。2001年，本文作者中的一位（A. G. Riess)宣布，利用哈勃望远镜在反复观测中意外地发现一颗非常遥远的Ia型超新星（被称为SN1997ff)。这次超新星爆发发生在100亿年前，当时的宇宙只有现在大小的三分之一。考虑到爆发产生的光线红移，如果宇宙尘埃假说成立，那么该天体应当比现在观测到的要明亮得多。该结论是宇宙膨胀存在减速时期的第一个直接证据。我们认为，如果能观测到更高红移的超新星，便可以提供确定的证据，并且能够解释清楚宇宙膨胀从减速到加速的过渡。

安装在哈勃望远镜上的新型成像设备——高级巡天照相仪，使得科学家能够将哈勃望远镜变成一台搜寻超新星的工具。Riess领导了一项任务，负责寻找必要的非常遥远的Ia型超新星样本，以作为对“大天文台宇宙起源深空巡天”项目的继续。该小组目前已经发现了当宇宙不足现在一半大小时（距离现在70亿年前）的6次超新星爆发；和SN 1997ff一样，这些都是迄今为止发现的最遥远的Ia型超新星。这些观测证实了宇宙早期存在减速膨胀，并且确定从减速膨胀向加速膨胀转变的“临界点”大约发生在距今50亿年前[参看51页左图]。这一发现与理论预测值一致，从而让宇宙学家感到更有信心。宇宙加速膨胀让人感到惊讶，同时也是有待解决的一个新难题，毫无疑问，我们应当重新考虑人类关于宇宙的许多认识。

宇宙的密度

发生在很久以前的超新星煤发还提供了有关暗能量的新线索。暗能量是导致宇宙加速膨胀的基础，解释暗能量效果的首选例子是真空能量，它在数学上等同于爱因斯坦于1917年提出的宇宙常数。由于爱因斯坦认为他需要模拟一个静态的宇宙，因此引入了所谓的“宇宙额外项"以平衡物质的吸引引力。在该假说中，常数密度等干物质密度的一半。但是要想与观察到的宇宙加速膨胀相吻合，该常数密度应当是物质密度的两倍。

能量密度来自何处呢？量子力学的测不准原理认为，真空中充满了虚拟时间和能量的粒子，若有若无。但是当科学家试图计算与量子真空相关联的能量密度时，他们得出的结果至少要高出55个数量级，如果真空能量密度真的那样高，宇宙中的所有物质会在瞬间四散分离，而星系根本不可能形成。

这一矛盾被称为是所有理论物理学中最糟糕的困扰，但事实上也可能是一次重大机遇。尽管有可能出现一种估算真空能量密度的新方法，刚好能够得出合理的数值以解释宇宙的加速膨胀，但是许多理论家认为，正确的计算，再结合一种新的对称原理，将导致与量子真空相关联的能量为零的结果。（即使量子虚无也无关紧要！）如果真是这样，那么一定存在其他的因素导致宇宙膨胀加速。

理论家已提出各种观点。包括额外的或隐藏的维度，以及与一种新自然场[有时被称为“精质”（quintessence)，参看本期文章《冲出黑暗》（Out of the Darkness)]有关的能量。通常，这些假说假定了一个非常数的暗能量密度，并且随着宇宙膨胀而减小。（但是也有人提出暗能量密度随着宇宙膨胀而增大的假设。）也许最大胆的想法是认为根本就不存在什么暗能量，而是应当修正爱因斯坦的引力理论。

由于暗能量的变化方式取决于不同的理论模型，每种理论都为宇宙从减速向加速膨胀过渡的临界点预测了不同的时间。如果暗能量密度随着宇宙膨胀而减小，那么过渡的临界点在时间上要早于假设暗能量密度为常数的模型。即使引力被修正的理论模型也得出了在过渡时间上清晰可见的信号。最近的超新星观测结果与假设暗能量密度为常数的理论相一致，但同时也适合许多假定暗能量为变数的理论模型。只有那些规定暗能量密度出现大变化的理论被摒弃。

为了缩小理论可能性的范围，哈勃太空望远镜一直在收集有关超新星爆发的数据，以便了解过渡状态的细节。尽管哈勃望远镜仍然是探测远古宇宙膨胀历史的唯一方法，有6项以上的地面观测计划正试图提高近期宇宙加速膨胀测量的精度，以便掲示出暗能量的物理本质。其中最有雄心的计划是由美国能源部和NASA提出的“联合暗能量计划”（Joint Dark Energy Mission，简称JDEM)。该计划采用一台长2米的宽视野太空望远镜，专门用来寻找和精确测量成千上万的Ia型超新星。超新星搜寻者希望在本世纪第二个十年初看到JDEM太空望远镜的发射；在这之前，他们必须依赖哈勃望远镜来探测大多数远方的超新星爆发。

揭开宇宙加速膨胀的神秘面纱将同时揭示宇宙的密度。如果暗能量密度为常数或者随着时间推移而增大，那么在100亿年之后，除了少数几百个星系之外，大多数星系将由于红移效应太强而无法被观测到。但是如果暗能量密度减小而且物质重新占据优势地位，那么我们的宇宙视野将扩大，能够揭示出更多宇宙中的存在，甚至更加极端（而且致命）的未来也将会成为可能。如果暗能量密度增大而不是减小，宇宙将最终经历一个“超级加速”过程，依次撕裂所有星系、太阳系、行星以及原子核；或者，如果暗能量密度下降到负值，宇宙甚至可能出现再次坍缩。预测宇宙未来命运的唯一方法是认识暗能量的本质。

[柯江华/译 赵庚新/校]