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2011年诺贝尔物理学奖新贡献 宇宙在“大爆炸”中诞生，但会往何处去呢？获得2011年诺贝尔物理学奖的美、澳三位天体物理学家，通过对超新星的观测给出了答案：宇宙膨胀不断加速，而且逐渐变冷。这个发现，被瑞典皇家科学院称为“震动了宇宙学的基础”。为什么说此发现意义如此重大呢？我们还是先从人们对宇宙的认识说起。 宇宙原来不是无限的，时空也不是永恒的 20世纪20年代以前，如果有人提问：“我们的宇宙从何而来？又将走向何方？”科学家都无法回答。因为直到那时，科学家运用牛顿力学考察宇宙，得出的科学结论是：“我们的宇宙无论是时间还是空间都是永恒的、无限的。我们的时空没有起点，也没有终了。”这就是距今不到百年前的科学宇宙观。 1929年，美国天文学家哈勃（1889～1953）根据观测发现星系距离的远近和星系谱线红移的大小成正比，即星系距离越远，它们四向退行的速度越大。后人将观测到的这一天象称为“哈勃定律”。哈勃定律显示的就是宇宙的时空整体在四向膨胀。宇宙既然在膨胀，必然有膨胀的起点，所以，宇宙一定有诞生；既然有诞生，就一定有迄今为止的年龄，以及诞生之后，膨胀至今的大小领域，因此，宇宙不是无始无终的，不是无限的，而是有限的；既然有年龄，就必然有生老病死，所以宇宙就不是永恒的和宁静的，而是演化的和动态的。这一来，完全颠覆了传统的奉为经典的宇宙观。 宇宙膨胀的发现、取证和确认，被认为是20世纪最重要的、意义深远的天文进展和成就，它改变了世人和公众对宇宙面貌和本原的认知和理解。 宇宙的膨胀起源于“大爆炸” 自从得知“宇宙膨胀”这一新天象之后，有的公众就问，如果宇宙确实在膨胀，为何感知不到月球、火星、木星、太阳在远离地球而去，也没听说太阳系在膨胀，银河系在膨胀呢？如果再往下问就是：宇宙为什么会膨胀？膨胀之力来自何方？宇宙未来的命运会是什么？ 关于地球人为什么感觉不到“宇宙膨胀”的疑问，不难解答。宇宙膨胀的速率是多少呢？根据2011年最新修订的测定值是：每300万光年每秒73.8 千米。就是说，在每300万光年辽阔的空间领域内，每秒的膨胀速率是73.8千米。要知道地月距离才1光秒多，日地距离8光分多，太阳系“半径”（太阳～海王星的距离）约5光时。在这样小的空间范围，当然察觉不出“宇宙膨胀”。不仅如此，即便在太阳系到银河系的两个伴星系（大麦哲伦云和小麦哲伦云）的50～60万光年的空间领域，以及地球到距离最近的大旋涡星系——仙女星系的约220万光年的空间范围，由于膨胀速率小于星系自身的空间运动速度而不易察觉。只有当宇宙的空间尺度远大于几百万光年的前提下，宇宙的膨胀才显现，并成为宇宙大尺度结构的最主要特征。 宇宙一直膨胀下去吗？ 哈勃自从确认星系的普遍红移现象并建立了哈勃定律之后，随即和他的科研同仁持续地探究：在更深远的空间，哈勃定律是否继续有效？膨胀速率是恒定的吗？会不会减速？ 20世纪下半叶，随着更多的大型光学望远镜的兴建问世，科学家继续向更深远的天际进军，将探究的距离扩展到40～50亿光年的远处。结果发现，哈勃定律仍然有效，宇宙依旧稳步地四向膨胀。进入80年代，随着科技的进步，一批口径8～10级的巨型光学望远镜的陆续落成，观天、新型探测器件取代了经典的照相手段、以及计算机在天文观测和数据处理的广泛运用，宇宙的大尺度结构的探索已向50亿光年以远的更远处进发。 选好“量天尺” 不少公众都知道，“光年”是天文学中一种长度计量单位。在太阳系之外的星际空间，恒星之间的距离，通常以几十、几百、几千光年为计。在银河系之外的星系际空间的距离，近则几百万光年、上千万光年，远则几亿、几十亿光年。人们不禁要问，如此辽阔的距离究竟是如何测量的？ 首先一定要搞明白“光度”和“亮度”这两个内涵不同的词。光度是发光体本身固有的发光本领。例如，一个100瓦的灯泡，它的光度就是100瓦。亮度则是观测者看上去的明亮程度，与发光体的距离有关。100瓦的灯泡，放在距离10米处，看上去很亮；若改放在距离100米处，看上去就暗多了。根据物理知识——亮度和距离的平方成反比，这样，距离远了10倍，亮度暗了100倍。距离100米处的100瓦灯泡，看上去亮度只有1瓦。这样，在知道这只灯泡的光度确系100瓦的前提下，再将它置于还能看得见的远处，只需测定它的亮度，就能依据“距离平方的反比”定则，准确推算出远处灯泡的距离。我们可以将已知光度的灯泡称为一个“标准烛光”。天文学家领悟到可以运用类似的“标准烛光”方法去测定天体之间的距离。然而，在茫茫宇宙中，能够成为“标准烛光”的天体是什么？ 探测深空的“量天尺”——Ia 型超新星 现代天体物理学已知，宇宙中发射最强光度的单个天体是超新星爆发；它的光强足以贯穿几十亿、上百亿的辽阔空间；此外，还知道超新星爆发是恒星演化终端走向消亡的一种表现形式。超新星爆发前的前身天体有两类，其一是由两个恒星组成的双星，由于彼此距离近，以至于呈现物质交流，遂称为“密近双星”。当双星中的一个已演化成白矮星，此时如果受到其伴星的物质以股流形式高速投入，这个白矮星则因结构失衡，突然整体爆发毁灭，成为光度超强的超新星。按照分类，它们称为I 型。早在30年代，已确认一个稳定的白矮星的质量上限是1.4个太阳质量（此项天体物理成就获得1983年诺贝尔物理学奖）。因此得知，I 型超新星的前身是个 1.4 个太阳质量的白矮星。根据天文学中的质量－光度关系，知道了质量，也就准确地知道了光度。到20世纪末，又进一步得知，I型超新星中有一个次型Ia型，其光度的均匀性更好。这样，天文学家终于获得了新的“标准光源” ——Ia 型超新星，一款适合测量深空距离的“量天尺”。 深空超新星巡天的重大发现——暗能量 1994～1995年，2～3个国际科研小组，在天体物理学家珀尔马特、施密特和里斯（如图）等首席科学家的主持下，申请到 8～10米级巨型光学望远镜和哈勃空间望远镜的支持，遂启动各自的“深空超新星巡天”探测课题，目标之一即是借助 Ia 型超新星“量天尺”探究50～60亿光年以远、前人知之甚少的宇宙膨胀动向。 超新星是恒星世界罕见的天象，一个正常星系，例如，银河系平均要上千年才有一次超新星爆发，而且还不一定是I型。可是，如果探测和巡视的对象同时为10万个、百万个星系，那么正好捕捉到较为短暂的爆发进程就不再罕见。 当最初观测到几个遥远的Ia型爆发事件后，他们惊奇地发现，已知光度的Ia型的亮度比在哈勃定律预期的距离处应有的亮度暗些，如果观测和数据处理均正确无误，合理的解释就该是它们的距离比预期的更远，退行的速度比预期更大。这一现象在50～60亿光年距离更远的大宇宙深空开始呈现，而且距离越远，亮度变暗的程度越大。历经几年的巡天搜索，累积到的深空Ia 型超新星爆发样本的总数已达几十个之多。在遥远的深空，宇宙膨胀正在加速的发现已是不容争辩的事实。这大大地超乎预期。不少人曾推测，宇宙物质具有的引力最终会超过宇宙膨胀之力，致使膨胀终止，转为宇宙收缩。因此，当21世纪之初，宇宙膨胀在加速的天文发现公之于世后，震惊了科技界，乃至全社会。人们惊奇地得知，在大宇宙中，除了有与宇宙物质同在的万有引力和来自于“大爆炸”的膨胀之力外，还有一种前所未知的斥力性质的神秘之力，在50～100亿光年的大宇宙中逐渐显示为最大的主力，姑且称之为“暗能量”。 更令人称奇的是，根据已取得宇宙膨胀加速的资料和数据推算得知：在宇宙中，对其本原和真相知之甚少的“暗能量”竟占宇宙物质总量的73 %。也就是说，人们在此之前竟然对宇宙组成中的 3/4全然不知不晓。就此还可推测，如果在今后深入探究中，宇宙确实按现在已探测到的加速膨胀，再过上千亿年，那时，一切核聚变的产能活动全都将息止，物质密度小到接近“真空”，我们宇宙的命运将是“寂静”、“寒冷”和“无”。 如今“暗能量”已成为物理学界的一个关注热点和议题，必然会推动和影响今后宇宙学，乃至物理学的发展和进步。可以认为，“宇宙膨胀的加速”和“暗能量”的发现是继“宇宙膨胀”和“膨胀的宇宙”确认之后，迄今又一可与之并论的最重大天文贡献。发现“宇宙膨胀正在加速”的三位首席天体物理学家共同被授予2011年诺贝尔物理学奖，以表彰“深空超新星巡天”科研课题取得的成就，当在意料之中。
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