關(guān)于作者
中國科學(xué)院高能物理研究所研究員，中國科學(xué)院大學(xué)崗位教授。目前主要從事中微子物理學(xué)、中微子宇宙學(xué)和天文學(xué)、夸克與輕子的質(zhì)量起源問題、物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱和重味物理學(xué)的理論研究。
誰是宇宙加速膨脹的幕后黑手？
邢志忠
2015年01月02日
2011年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將本年度的諾貝爾物理學(xué)獎授予“通過觀測遙遠(yuǎn)的超新星而發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹現(xiàn)象”的美國天體物理學(xué)家索爾 帕爾馬特、布萊恩 P 施密特（也擁有澳大利亞國籍）和亞當(dāng) 里斯。其中帕爾馬特獲得獎金的二分之一，而施密特與里斯分享獎金的另一半。三位獲獎?wù)哂?998年做出的重大發(fā)現(xiàn)揭開了宇宙“暗能量”的神秘面紗。特別值得一提的是，他們都曾在哈佛大學(xué)求學(xué)，因此他們的獲獎再次證明了什么是真正的世界一流大學(xué)。
英雄也問出身
索爾 帕爾馬特（Saul Perlmutter），美國公民，天體物理學(xué)教授。1959年出生于美國伊利諾伊州厄本那—香檳城，1981年畢業(yè)于哈佛大學(xué)，1986年獲得加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位，現(xiàn)任職于勞倫斯 伯克利國家實驗室和加州大學(xué)伯克利分校，超新星宇宙學(xué)項目負(fù)責(zé)人。1998年，帕爾馬特及其團(tuán)隊通過觀測 a型超新星得出了宇宙加速膨脹的驚人結(jié)論，使宇宙“暗能量”問題成為本世紀(jì)最前沿的科學(xué)問題之一。
布萊恩 P 施密特（Brian P. Schmidt），美國與澳大利亞公民，天體物理學(xué)教授。1967年出生于美國蒙大拿州密蘇拉市，1989年畢業(yè)于亞利桑那大學(xué)，1993年獲得哈佛大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任職于澳大利亞國立大學(xué)斯特朗洛山天文臺，高紅移超新星搜尋項目負(fù)責(zé)人。1998年，施密特的研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹的有力證據(jù)，他們與帕爾馬特研究組的成果被《科學(xué)》雜志評選為當(dāng)年最具突破性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
亞當(dāng) 里斯（Adam Riess），美國公民，天體物理學(xué)教授。1969年出生于美國首都華盛頓，1992年畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，1996年獲得哈佛大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任職于約翰 霍普金斯大學(xué)和巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所，高紅移超新星搜尋項目負(fù)責(zé)人。1998年，里斯與施密特領(lǐng)導(dǎo)的課題組通過觀測Ia型超新星發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹的驚人事實。2006年與帕爾馬特和施密特分享了具有“東方諾貝爾獎”美譽(yù)的香港邵逸夫天文學(xué)獎。
本文將簡要介紹三位諾貝爾獎得主發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的歷史背景、科學(xué)意義及其對現(xiàn)代宇宙學(xué)的深遠(yuǎn)影響。
宇宙一直在膨脹
1929年，美國天文學(xué)家愛德文 哈勃觀測到了一個奇特的現(xiàn)象：不同的星系都在彼此遠(yuǎn)離對方，其運(yùn)動速度正比于它們之間的距離。具體說來，所有的河外星系都與我們所處的銀河系漸行漸遠(yuǎn)，而且它們倒退的速度越來越大。這表明宇宙一直在膨脹。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)理論，宇宙的演化行為遵從愛因斯坦的廣義相對論。如果宇宙空間中的物質(zhì)和輻射呈均勻和各向同性分布，那么廣義相對論方程就可以簡化為弗里德曼方程：它的左邊是哈勃參數(shù)的平方，右邊包含空間曲率、物質(zhì)密度、輻射密度和宇宙學(xué)常數(shù)的貢獻(xiàn)。宇宙學(xué)和天文學(xué)觀測表明，我們的宇宙是非常平坦的，即它的空間曲率在大尺度上等于零。另外，當(dāng)今宇宙的輻射密度遠(yuǎn)小于物質(zhì)密度，通常是可以忽略不計的。因此通過定義宇宙的臨界能量密度（它是哈勃參數(shù)和牛頓引力常數(shù)的函數(shù)），我們可以將平坦宇宙的弗里德曼方程進(jìn)一步化簡為 m+ =1 ，其中 m代表宇宙的物質(zhì)密度， 代表宇宙學(xué)常數(shù)對宇宙能量密度的貢獻(xiàn)。倘若宇宙學(xué)常數(shù) 為零，就只有物質(zhì)決定宇宙演化的命運(yùn)。那么根據(jù)牛頓定律，不同星系之間的萬有引力應(yīng)該使宇宙的膨脹逐漸減慢。事實果真如此嗎？
描述宇宙減速膨脹的參數(shù)可以定義為q(z)= m(1+z)3/2- ，其中z代表紅移，它的值在今天取作零； m和 分別代表宇宙今天的物質(zhì)密度和宇宙學(xué)常數(shù)對總能量密度的貢獻(xiàn)。假如宇宙的膨脹速度越來越小，那么這個減速膨脹參數(shù)就應(yīng)該大于零。于是設(shè)法測量q(0)的大小就成了宇宙學(xué)家的一個重要科學(xué)目標(biāo)。
今天的宇宙在加速膨脹
上世紀(jì)八十年代末期，當(dāng)剛獲得加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位不久的帕爾馬特加入旨在發(fā)現(xiàn)“宇宙的命運(yùn)”的超新星課題組時，他和同事們的物理目標(biāo)就是想通過研究遙遠(yuǎn)的Ia型超新星光譜來證實宇宙減速膨脹的猜想。Ia型超新星的爆發(fā)能夠釋放出極高亮度和較為持久的光，通常被當(dāng)作研究其它星體發(fā)光度的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。由于宇宙在不斷地膨脹，這些來自逐漸遠(yuǎn)去的超新星的光會朝著可見光的光譜中紅色的一端偏移。這種紅移現(xiàn)象類似于當(dāng)火車離我們而去時其汽笛聲變得越來越低沉的“多普勒效應(yīng)”。通過觀測不同Ia型超新星的亮度和光譜，天文學(xué)家可以推算出它們的距離和紅移，從而畫出哈勃圖。由于距離本身依賴于宇宙能量密度的各個分量，由此能夠確定一個平坦而且低輻射的宇宙中 m與 的數(shù)值。
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帕爾馬特在九十年代初成為超新星宇宙學(xué)項目的負(fù)責(zé)人，他發(fā)展了一套行之有效的軟件和數(shù)值分析程序，用以研究有較大紅移效應(yīng)的Ia型超新星。該技術(shù)能夠迅速處理天文望遠(yuǎn)鏡傳回的觀測數(shù)據(jù)，并選出希望較大的超新星候選者再將信息迅速反饋給望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，以便進(jìn)一步測量超新星的亮度和光譜，從而確定高紅移超新星的距離和紅移。當(dāng)時施密特和里斯領(lǐng)導(dǎo)的高紅移超新星搜尋課題組也在做同樣的事情。1998年2月在“暗物質(zhì)1998”國際會議上，這兩個研究超新星的團(tuán)隊分別報告了他們的觀測結(jié)果。在紅移接近 z~1處，帕爾馬特等人發(fā)現(xiàn)了42個超新星，而施密特等人觀察到16個超新星。他們得出的一致結(jié)論是今天的宇宙 m≈0.3和 ≈0.7。同年3月和9月，施密特與帕爾馬特的研究組分別將他們的觀測結(jié)果正式提交到專業(yè)期刊發(fā)表。把 m和 的數(shù)值結(jié)果代入今天的宇宙減速膨脹參數(shù)q(0)= m/2- ，人們立刻發(fā)現(xiàn)q(0)<0 。這意味著宇宙其實正在加速膨脹！帕爾馬特、施密特和里斯等人如此重大的的發(fā)現(xiàn)立即震驚了全世界，成為宇宙學(xué)新的里程碑。
進(jìn)一步的研究表明：約50億年前（z≥0.5）宇宙處在減速膨脹狀態(tài)，而近50億年來（z≤0.5 ）宇宙一直在加速膨脹。這一點(diǎn)也可以從前面給出的q(z)的表達(dá)式近似估算出來。宇宙學(xué)常數(shù) 大于零而且 > m，前者正是宇宙加速膨脹的幕后黑手。決定宇宙最終命運(yùn)的“暗能量”的神秘面紗終于被緩緩揭開了。
暗能量與暗物質(zhì)
1998年至今，更精確的Ia型超新星觀測結(jié)果證實了帕爾馬特等人的發(fā)現(xiàn)，而來自宇宙微波背景各向異性和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測結(jié)果也令人信服地證實了 ≈0.7和 m≈0.3的事實。這表明宇宙空間中不僅充斥著神秘的“暗能量”，而且聚集了大量不發(fā)光的“暗物質(zhì)”。暗能量與暗物質(zhì)的本質(zhì)究竟是什么呢？
從弗里德曼方程可以看出，宇宙學(xué)常數(shù) 是暗能量 的最直接來源。其實 是由愛因斯坦本人為了得到一個所謂的“靜態(tài)宇宙”而引入他的廣義相對論方程的。當(dāng)愛因斯坦聽說了哈勃的歷史性發(fā)現(xiàn)，他為自己沒有及早從理論上預(yù)言宇宙的膨脹而懊惱不已，聲稱引入宇宙學(xué)常數(shù)是他人生的最大敗筆。如今我們注意到，代表真空能量的宇宙學(xué)常數(shù) 的存在是至關(guān)重要的，它決定了宇宙從今往后一直加速膨脹下去的奇特命運(yùn)。然而在粒子物理學(xué)家眼里，看起來自然而然的真空能量密度應(yīng)該遠(yuǎn)大于 所對應(yīng)的能量密度，前者可以是后者的10120倍！如何解釋有限的 成為理論物理學(xué)家們不得不面對的難題?；蛟S 本身并非一個真正的常數(shù)，而是隨著時間和紅移而改變的物理量。這類有關(guān)暗能量的動力學(xué)模型，需要引入新的場與新的力。甚至“人擇原理”也被一些物理學(xué)家用來理解暗能量之謎。
伴隨著暗能量問題的是暗物質(zhì)問題。宇宙學(xué)和天文學(xué)觀測表明，發(fā)光的重子物質(zhì)只占宇宙物質(zhì)密度（ m≈0.3）的20%左右
其余的80%左右是電中性、不發(fā)光而且壽命極長的冷暗物質(zhì)，它們決定了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成和星系的運(yùn)動狀態(tài)。在標(biāo)準(zhǔn)的粒子物理學(xué)理論中，不存在任何可以充當(dāng)冷暗物質(zhì)的基本粒子，因此解釋暗物質(zhì)的存在需要引入新物理。如何在實驗上通過非引力手段來探測暗物質(zhì)也是一個世紀(jì)難題。盡管目前有眾多的實驗項目力圖直接或者間接地探測暗物質(zhì)粒子，但是迄今為止沒有得到任何令人信服的結(jié)果。有人將暗能量和暗物質(zhì)問題比喻成飄浮在二十一世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云，這話也許是不錯的。
事實上我們不得不面對更多的宇宙學(xué)和天文學(xué)難題，例如可觀測宇宙的物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱問題、極高能宇宙射線的起源問題、引力波是否存在的問題，等等。宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)告訴我們，在探索未知的旅途中也許會有很多我們意想不到的新發(fā)現(xiàn)。正如帕爾馬特所說的那樣，“現(xiàn)在我們距離找到宇宙全貌的那幅圖景越來越近了。暗能量是一片黑暗中一個閃亮的光點(diǎn)，為那些我們之前從來沒有想過的問題提供了線索。對于物理學(xué)家而言，所謂的終極快樂，就是看到一個你可以探究的秘密出現(xiàn)。”
邢志忠，2011年10月5日初稿、14日定稿，2014年12月首發(fā)于科學(xué)新語林《粒子與宇宙》專欄。