互动科普

那么，现在宇宙的膨胀又是怎样的呢？

一般认为，宇宙刚刚诞生之后就经历了一个暴胀（急速膨胀）的阶段。虽然还没有搞清楚暴胀的原因，但是现在宇宙的膨胀可以认为是当初那段暴胀的“延续”。比如说向上投出一个小球后，由于惯性它依然能够向上继续运动。学者们认为宇宙的膨胀与此类似。

但是，向上投出的小球，由于受到重力吸引而减速，向上的速度会渐渐地变小。人们原以为宇宙的膨胀也一样，由于宇宙中物质的引力，它的膨胀速度也应该慢慢变小。

颠覆了人们的臆想

然而，在仅仅十几年前的1998年，新的观测结果彻底颠覆了人们之前的预想。美国的索尔·珀耳马特（Saul Perlmutter）博士的小组与澳大利亚的布莱恩·施密特（Brian Schmidt）博士的小组分别独立地发现，宇宙并非处在减速膨胀的状态，而是在加速膨胀。如果还用小球来打比方，就是投出去的小球不断加速地向上飞去。小球上又没有安装火箭引擎，怎么会发生如此奇怪的现象呢？

这个比方听起来很荒诞，但宇宙的“加速膨胀”却是一个已经观测到的事实。为了说明这个事实，可以想象宇宙中也一定存在着某种类似火箭引擎的“东西”。这个浮现出来的“东西”，就被称为“暗能量”。

宇宙的膨胀是加速的

通过观测特殊的“恒星爆发”的亮度来观测加速膨胀

宇宙处于加速膨胀的状态，这究竟是根据什么样的观测结果得出的呢？为了搞清楚这个问题，就要搞清楚宇宙膨胀的过去和现在；而要想知道宇宙过去的样子，就要去观测宇宙的深处。比如说，观测1光年（光运行1年的时间所走过的距离）远的天体发出的光，看到的就是它1年前的样子。如果看10亿光年远的天体发出的光，也就看到了它10亿年前的样子；同样地，观测从100亿光年处发出的光，就可以看到100亿年前的宇宙。

话虽如此，实际上宇宙观测中最难的就是正确地测量距离。比如说，远处有一枝点燃的蜡烛，我们可以测量出烛光的亮度，但由于不知道原本烛光有多亮，依然很难据此推断出蜡烛和我们的距离。

但如果不是蜡烛，而是亮度已知的电灯的话，又会怎么样呢？由于亮度随着距离的平方成反比地衰减，只要测出灯光有多少到达我们这里（视亮度），就能正确地推断出它的距离。在宇宙中也是这样，如果预先知道了被测天体的绝对光度，根据从地球上测到的亮度，就能反推出天体到我们的距离。

从某种特定的超新星的亮度就能推出它的距离

实际上，宇宙中也确实存在着适合使用这种方法测量的天体。20世纪90年代以来，人们才开始认识到这一点。这种天体就是“Ia型超新星”。Ia型超新星是由约为1.4倍太阳质量的星体爆发产生的，由于引起爆发时的引力基本上是相同的，所以爆发时发出的光度也差不多是一样的。

另一个好处是，超新星的核聚变在极短的时间内完成，产生爆发性闪光，所以非常明亮，即使在很远的地方也能观测到。Ia型超新星的亮度接近一个星系，借助现在的观测技术，我们可以准确地测量出90亿光年以内的距离。而宇宙的年龄大约是137亿年，所以在宇宙至少2/3的历史中曾经发生过的膨胀，都包含在这个范围内。

两个研究小组的结果一致地表明“宇宙在加速膨胀”

要了解宇宙膨胀的行为，除了Ia型超新星到我们的距离（时间）之外，还有一个必须要知道的物理量，就是在Ia型超新星爆发时宇宙尺度的信息。

这一点可以通过对超新星颜色变化（正确的说法是光的波长的变化）的测量来确定。当宇宙膨胀的时候，Ia型超新星发出的光在向地球传播的过程中会被拉长（红移）。由于光的波长的拉长是由宇宙尺度的变化引起的，只要知道了波长被拉大了多少，就能知道Ia型超新星爆发的时候宇宙的尺度。与超新星的距离信息结合在一起，就可以知道宇宙在“何时”有“多大的尺度”了。

“加速膨胀”本身基本上是没有疑问的事实

用这个方法对大量Ia型超新星进行测量，对不同时刻宇宙的大小进行研究，就能追寻出宇宙膨胀的历史。珀耳马特博士的小组和施密特博士的小组采用这样的方法，各自进行了独立的观测，其结果都是“宇宙的膨胀处于加速状态”。

两个小组分别进行独立的观测，却得到了完全一致的结果，这一点非常重要。虽然这样的结果有悖常识，但由于结果相同，所以可信度非常高。之后，观测精度进一步提高，到现在，已经很少有学者质疑宇宙的加速膨胀了。

由此看来，推动宇宙加速膨胀的“东西”（也就是暗能量）确实是存在的，应该认真地研究。随便提一下，珀耳马特博士及其研究同伴亚当·里斯（Adam Riess）博士和施密特博士共同分享了2011年的诺贝尔物理学奖。

另外，之后更仔细的观测表明，宇宙曾经历过减速膨胀，大概在70亿年前（大约在宇宙诞生的70亿年后）开始转入了加速膨胀的阶段。

（本文发表于《科学世界》2013年第1期）