2011 年诺贝尔物理学奖——发现宇宙的加速膨胀

2011 年诺贝尔物理学奖授予美国加州大学伯克利分校教授索尔·佩尔马特（Saul Perlmutter，1959— ），出生于美国而拥有美、澳双重国籍的澳大利亚国立大学教授布莱恩·施密特（Brian P.Schmidt，1967— ），以及美国约翰斯·霍普金斯大学教授亚当·里斯（Adam G.Riess，1969— ），以表彰他们“观测遥远的超新星并发现宇宙的加速膨胀”。

原文地址：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2011/popular-information/，使用 DeepSeek 进行翻译，略加修改。

“有人说世界将终结于烈火，有人说终结于寒冰……”

宇宙的命运究竟如何？若相信今年诺贝尔奖得主的研究，宇宙或许会终结于“寒冰”。他们通过细致研究遥远星系中的数十颗爆炸恒星（即超新星），得出结论：宇宙的膨胀正在加速。

命中注定

这一发现甚至让诺贝尔奖得主们自己都感到震惊。他们的观测结果就像将一颗球抛向空中，球不仅没有落回，反而以越来越快的速度飞向天际——仿佛重力无法逆转其轨迹。整个宇宙似乎正在发生类似的现象。

膨胀加速意味着宇宙被嵌入空间结构中的某种未知能量推动分离。这种暗能量占据宇宙的 70% 以上，至今仍是物理学的最大谜题。1998 年，两个独立研究团队公布相似结论时，整个宇宙学界为之震动。

索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）领导的“超新星宇宙学项目”始于 1988 年；布莱恩·施密特（Brian Schmidt）团队则于 1994 年启动“高红移超新星搜索计划”，亚当·里斯（Adam Riess）在其中发挥了关键作用。

两个团队竞相通过寻找最遥远的超新星绘制宇宙地图，试图通过测量超新星的距离及其退行速度揭示宇宙命运。他们原以为会发现宇宙膨胀减速的迹象（预示“烈火”与“寒冰”的平衡），结果却截然相反——膨胀在加速。

从静态到动态的宇宙观

宇宙学革命并非首次。仅仅在一百年前，宇宙还被认为是一个平静而安宁的地方，其范围不超过我们所在的银河系。宇宙的时钟被认为在稳定而可靠地运转，宇宙是永恒的。然而，很快，一场彻底的变革将改变这一图景。

20 世纪初，美国天文学家亨丽埃塔·斯旺·莱维特（Henrietta Swan Leavitt）发现了一种测量遥远恒星距离的方法。当时，女性天文学家被禁止使用大型望远镜，但她们经常被雇用来完成分析照相底片的繁琐工作。亨丽埃塔·莱维特研究了数千颗脉动恒星（称为造父变星），发现较亮的恒星脉动周期更长。利用这一信息，莱维特能够计算出造父变星的本征亮度。

如果已知一颗造父变星的距离，就可以确定其他造父变星的距离——它的光越暗，距离就越远。于是，一种可靠的“标准烛光”诞生了，这是宇宙量天尺上的第一个刻度，至今仍在使用。通过利用造父变星，天文学家很快得出结论：银河系只是宇宙中众多星系之一。到了 20 世纪 20 年代，天文学家得以使用当时世界上最大的望远镜——位于加利福尼亚的威尔逊山望远镜，从而证明几乎所有星系都在远离我们。他们研究了一种称为红移的现象，这种现象发生在光源远离我们时。光的波长被拉长，波长越长，颜色就越红。结论是：星系正在远离我们，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，它们的退行速度越快——这就是哈勃定律。宇宙正在膨胀。

宇宙学常数

宇宙中观测到的现象早已被理论计算所预言。1915 年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了广义相对论，这一理论从此成为我们理解宇宙的基础。该理论描述了一个必须收缩或膨胀的宇宙。

这一令人不安的结论在发现星系退行现象之前约十年就已得出。即使是爱因斯坦也无法接受宇宙并非静态的事实。于是，为了阻止这种不受欢迎的宇宙膨胀，他在方程中加入了一个常数，称为宇宙学常数。后来，爱因斯坦认为引入宇宙学常数是一个重大错误。然而，随着 1997—1998 年的观测（这些观测成果获得了今年的诺贝尔奖），我们可以得出结论：爱因斯坦的宇宙学常数——尽管出于错误的原因引入——实际上是一个天才之举。

宇宙膨胀的发现是迈向现代标准宇宙观的关键第一步：宇宙诞生于约 140 亿年前的大爆炸。时间和空间从那时开始。自那时起，宇宙一直在膨胀；就像烤箱中膨胀的葡萄干蛋糕一样，星系因宇宙膨胀而彼此远离。但我们将去往何方？

超新星——宇宙的新量尺

当爱因斯坦放弃宇宙学常数并接受非静态宇宙的观点时，他将宇宙的几何形状与其命运联系了起来。宇宙是开放的还是封闭的？抑或是介于两者之间——一个平坦的宇宙？

• 开放宇宙：在这种宇宙中，物质的引力不足以阻止宇宙的膨胀。所有物质将在一个越来越大、越来越冷、越来越空旷的空间中被稀释。
• 封闭宇宙：在这种宇宙中，引力足够强大，能够停止甚至逆转膨胀。因此，宇宙最终会停止膨胀并重新坍缩，以一场炽热而剧烈的终结收场——大坍缩（Big Crunch）。
• 平坦宇宙：然而，大多数宇宙学家更倾向于生活在最简单且数学上优雅的宇宙中：一个平坦的宇宙，其膨胀速度被认为会逐渐减缓。这样的宇宙既不会终结于烈火，也不会终结于寒冰。

但宇宙的命运并不由我们选择。如果存在宇宙学常数，即使宇宙是平坦的，膨胀也将继续加速。

今年的诺贝尔奖得主原本希望测量宇宙的减速，即宇宙膨胀是如何减缓的。他们的方法在原理上与六十多年前天文学家使用的方法相同：定位遥远的恒星并测量它们的运动。然而，这说起来容易做起来难。自亨丽埃塔·莱维特（Henrietta Leavitt）的时代以来，许多更遥远的造父变星被发现。但在天文学家需要观测的数十亿光年之外的距离上，造父变星已不再可见。宇宙的量尺需要被延长。

超新星爆炸成为了新的标准烛光。20 世纪 90 年代，地面和太空中的更先进望远镜，以及更强大的计算机，为解开宇宙学谜题提供了更多可能性。其中最关键的是光敏数字成像传感器——电荷耦合器件（CCD），这是由 2009 年诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔（Willard Boyle）和乔治·史密斯（George Smith）发明的。

白矮星的爆炸

天文学家工具箱中的最新工具是一种特殊的恒星爆炸——Ia 型超新星。在几周内，一颗这样的超新星可以发出与整个星系一样多的光。这种超新星是一种极其致密的老年恒星的爆炸，其质量与太阳相当，但体积却只有地球大小——这就是白矮星。爆炸是白矮星生命周期的最后一步。

当一颗恒星的核心能量耗尽，所有的氢和氦都在核反应中燃烧殆尽时，白矮星便形成了。只剩下碳和氧。同样，在遥远的未来，我们的太阳也将逐渐暗淡并冷却，最终成为一颗白矮星。

然而，如果白矮星是双星系统的一部分（这种情况相当常见），它将迎来一个更加激动人心的终结。在这种情况下，白矮星的强大引力会从伴星那里夺取气体。然而，当白矮星的质量增长到 1.4 倍太阳质量时，它将无法再维持自身的结构。此时，白矮星内部变得足够热，引发了失控的核聚变反应，恒星在几秒钟内被撕裂。

核聚变的产物发出强烈的辐射，在爆炸后的最初几周内迅速增强，随后在接下来的几个月逐渐减弱。因此，寻找超新星是一项紧迫的任务——它们的剧烈爆炸是短暂的。在整个可见宇宙中，每分钟大约会发生十次 Ia 型超新星爆炸。但宇宙是如此浩瀚，在一个典型的星系中，每一千年只会发生一到两次超新星爆炸。2011 年 9 月，我们很幸运地在大熊座附近的一个星系中观测到了一次这样的超新星爆炸，仅用普通双筒望远镜就能看到。但大多数超新星距离更远，因此也更暗。那么，在浩瀚的天空中，你该在何时何地寻找它们呢？

一个惊人的结论

两个竞争的研究团队知道，他们必须在天空中搜寻遥远的超新星。关键在于比较同一小块天空的两张图像，这片天空的大小相当于手臂伸直时拇指指甲盖所覆盖的范围。第一张图像必须在新月后拍摄，第二张则在三周后拍摄，以避免月光淹没星光。然后，通过比较这两张图像，希望能发现一个小光点——CCD 图像中的一个像素——这可能是遥远星系中超新星的迹象。为了消除局部扭曲，研究团队只使用了距离超过可见宇宙三分之一范围的超新星。

研究人员还需要解决许多其他问题。Ia 型超新星并不像最初看起来那样可靠——最亮的爆炸衰减得更慢。此外，超新星的光需要从其宿主星系的背景光中提取出来。另一个重要任务是获得准确的亮度。星际尘埃会改变星光，这会影响计算超新星最大亮度的结果。

追逐超新星不仅挑战了科学和技术的极限，也考验了后勤能力。首先，必须找到合适类型的超新星。其次，需要测量其红移和亮度。为了能够与已知距离的同类型超新星进行比较，还需要分析其光变曲线。这需要一个科学家网络，能够快速决定某颗恒星是否值得观测。他们需要能够在望远镜之间切换，并立即获得观测时间，而这一过程通常需要数月。他们必须迅速行动，因为超新星的光会迅速衰减。有时，这两个竞争的研究团队会谨慎地交叉使用彼此的观测路径。

尽管潜在的问题很多，但科学家们对得出了相同的惊人结果感到欣慰：他们总共发现了大约50颗遥远的超新星，它们的光似乎比预期的要弱。这与他们最初的设想相反。如果宇宙膨胀在减速，超新星应该显得更亮。然而，这些超新星随着它们所在的星系越来越快地远离我们而逐渐变暗。令人惊讶的结论是：宇宙的膨胀并没有减速——恰恰相反，它正在加速。

从此刻到永恒

那么，是什么在加速宇宙的膨胀？它被称为暗能量，是物理学面临的一个挑战，一个至今无人能解的谜题。人们提出了多种解释，最简单的是重新引入爱因斯坦曾经摒弃的宇宙学常数。当时，他引入宇宙学常数作为一种反引力，以抵消物质的引力，从而创造一个静态的宇宙。如今，宇宙学常数似乎反而使宇宙的膨胀加速。

宇宙学常数当然是恒定的，不会随时间变化。因此，当物质及其引力因数十亿年的宇宙膨胀而被稀释时，暗能量便占据了主导地位。科学家认为，这可以解释为什么宇宙学常数在宇宙历史的晚期才显现出来，仅仅在五六十亿年前。大约在那个时候，物质的引力相对于宇宙学常数已经减弱到一定程度。在此之前，宇宙的膨胀一直在减速。

宇宙学常数的来源可能是真空——根据量子物理学，真空并非完全空无一物，而是一锅沸腾的量子汤，虚粒子（物质和反物质）在其中不断产生和湮灭，并产生能量。然而，对暗能量总量的最简单估计与宇宙中实际测量的数值完全不符，后者比前者大了约 10¹²⁰ 倍（1 后面跟着 120 个零）。这在理论与观测之间形成了一个巨大且尚未解释的鸿沟——要知道，地球上所有海滩的沙子加起来也不过 10²⁰ 粒（1 后面跟着 20 个零）。

也许暗能量并非恒定不变。它可能随时间变化，也可能是一种未知的力场偶尔产生暗能量。物理学中有许多这样的力场，统称为精质（quintessence），源自希腊语中的“第五元素”。精质可能会加速宇宙的膨胀，但只是偶尔如此。这将使我们无法预知宇宙的命运。

无论暗能量是什么，它似乎都将长期存在。它完美地契合了物理学家和天文学家长期以来研究的宇宙学拼图。根据目前的共识，宇宙的约四分之三由暗能量组成，其余部分是物质。但普通物质——构成星系、恒星、人类和花朵的物质——仅占宇宙的 5%。剩下的物质被称为暗物质，至今仍未被我们直接探测到。

暗物质是我们这个大部分未知的宇宙中的另一个谜团。与暗能量一样，暗物质也是不可见的。因此，我们只能通过它们的影响来了解它们——一个在推动，另一个在拉动。它们唯一的共同点是都带有“暗”这个形容词。

因此，2011年诺贝尔物理学奖得主的发现帮助揭示了科学界对 95% 的宇宙仍一无所知的现实。一切又变得皆有可能。

官网链接，佩尔马特论文链接，施密特论文链接。

发布时间：2024/1/20 下午7:05:44  阅读次数：1497