在瑞典首都斯德哥尔摩,瑞典科学院内,诺贝尔物理学奖当地时间10月4日11时45分揭晓,美国科学家索尔·珀尔马特、拥有美国和澳大利亚双重国籍的科学家布赖恩·施密特以及美国科学家亚当·里斯,以他们在天体物理学方面的卓越研究成果获此殊荣。诺贝尔物理学奖评选委员会表示,今年诺贝尔物理学奖得主的成就“与整个宇宙相关”,这三位获奖者“研究几十颗处于爆炸状态的恒星、即‘超新星’,发现宇宙正在扩张过程中,扩张速率不断加速”。
尽管科学家在将近一个世纪前便知晓宇宙正在膨胀,但诺贝尔物理学奖评选委员仍用“令人震惊”来形容三位获奖者关于宇宙加速膨胀的发现。评委会声明,他们的研究成果震动了宇宙学理论基础,宇宙在很大程度上依然充满未知数。中国科学技术大学物理学院天文系教授孔旭接受了科技日报的采访,漫谈浩瀚宇宙加速膨胀的发现故事。
———— “宇宙学常数”的探求 ————
三位科学家的研究,确认了最初由科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出的一种理论,即被他称之为“宇宙学常数”的理论。孔旭介绍说:“19,爱因斯坦发表了他的广义相对论——一种将时空结合在一起的引力理论,这也是宇宙学的基础。因为我们的宇宙由地球、太阳和银河系等物质组成,而物体之间有引力相互作用,使得我们的宇宙必然会收缩。”
“但是,在20世纪初,人们认为我们所在的宇宙是静态的,不存在膨胀和收缩。为了抗衡宇宙中物质引力将导致宇宙的收缩,使得宇宙处于静态,爱因斯坦在他的广义相对论引力场方程里加入了一个‘宇宙学常数’项。这项的动力学效果相当于排斥力,这个斥力与物质间的引力正好相抵消,宇宙才能静止。”
1929年,美国天文学家哈勃发现离我们越远的星系,以越快的速度远离我们,这就是著名的哈勃定律。
膨胀宇宙的天文观测结果让人们认识到宇宙不是静止的。晚年时的爱因斯坦曾把“宇宙学常数”的引入,说成是他“一生中最大的失误”。
宇宙将最终冰冻
“基于哈勃发现的星系退行速度和星系距离的关系,我们很容易想到,如果我们逆时间方向往过去追溯,我们的宇宙必然诞生于一个很小的空间。”孔旭说,“这也是1948年美籍俄裔天文学家伽莫夫提出‘热大爆炸宇宙学模型’的观测基础。”
接下来的问题是宇宙的命运将如何?即宇宙是继续膨胀直至物质无限稀薄,膨胀速度趋于零,宇宙将终结于寒冰;还是膨胀到某一时刻后,因为物质引力的作用,开始收缩,温度不断增高,宇宙将终结于烈火?这些都是科学家正在不断探索的奥秘。
诺贝尔评审委员会介绍说:“如果扩张继续加速,宇宙将以冰冻状态终结。”对此,孔旭解释说:“因为宇宙正在膨胀,其密度必定也正在减低,因为物质与物质之间的空间正在加大。随着宇宙的加速膨胀,宇宙中的天体远离速度不断加速,宇宙学红移不断增大,红移使得光子的波长不断变长,频率降低,遥远的宇宙也会变得越来黑暗、越来越冷。当造成膨胀的斥力继续增加,最终会战胜引力,撕碎宇宙中的星系团、银河系、太阳系、最后甚至小小原子等一切物质。所以加速膨胀,最终会使得宇宙以冰冻状态终结。”
他还举了一个生动的例子:“就如现在某人有1000万元,如果他将钱分给1000个人,每人只有1万元;如果分给1万人,每人只有1000元;随着人数的增加,最终每个人得到的钱数目趋于零。”
宇宙确实存在一种使得宇宙膨胀不断加速的斥力
对于时间和空间的主观感受依赖于观测者本身,但爱因斯坦的理论用一种精确的数学表述方法,科学地度量了“任何事都是相对的”这一经典的格言。
当哈勃得意洋洋地将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时,这位常常被称作“孤独的人”的伟大的科学家惭愧极了。他不会知道的是,一代代科学家们仍在孜孜不倦地研究这一“反引力的固定数值”,并在探索中渐渐明白,为什么爱因斯坦如此钟爱这个理论;而今,宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。
孔旭说:“历史的发展常常很具有戏剧性,此次获得诺贝尔物理学奖的珀尔马特、施密特和里斯的观测表明宇宙在加速膨胀,宇宙确实存在一种使得宇宙膨胀不断加速的斥力,‘宇宙学常数’代表的斥力项确实是应该要的。”
三位科学家的研究,确认了最初由爱因斯坦提出的一种理论,科学的发展在这一历史时刻向世界证明了爱因斯坦的“倔强”没有错。
———— 给宇宙找一个“标准烛光” ————
孔旭介绍,大爆炸宇宙学理论提出后,天文学家们一直在尝试和利用各种不同的手段,希望从观测上能够限制宇宙的终极命运。直到20世纪80年代中期,天文学家们才发现超新星是离我们十分遥远星系的绝佳距离指示器。
“Ia型超新星”:绝佳的距离指示器
什么是“Ia型超新星”呢?这还要从多种恒星生命的最后归宿——超新星开始解释。孔旭说:“超新星可以理解为恒星演化到晚期的‘回光返照’——恒星死亡之前的突然增亮。”
根据前身恒星质量的不同,宇宙中的超新星可以分为两类:一种是大质量恒星演化到晚期,核塌缩导致整个星体在短时间内爆炸,使得星体的亮度短时间内可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度。这类超新星被称作“II型超新星”,但是他们的光度差异很大,不能用做距离的指示器。另一种是中、小质量的恒星在燃尽核区燃料后,变成白矮星。当白矮星周围有一个伴星时,白矮星将把其伴星的物质吸引和累积在其表面,到一定程度(即质量上限,约为1.44倍太阳质量)后发生核爆炸。这类超新星被称为“Ia型超新星”。因白矮星有1.44倍太阳质量上限,白矮星发生超新星爆炸时大多都比较接近这个质量,所以它们爆炸前的燃烧物质基本一样多,燃烧发出的光度基本也一样。
既然所有的“Ia型超新星”的光度相等,那么根据观测到的一颗“Ia型超新星”的视亮度,就可以推测它到我们的距离。孔旭打了一个比方:“一支蜡烛放在离我们不同距离的地方,它们的亮度会不一样。离我们近,看上去亮;离我们远,看上去暗。这样我们可以通过观测它的亮度来计算蜡烛距我们的距离。”另一方面,科学家还可以观测到这些“Ia型超新星”的光谱,从中测出超新星的光谱中某些谱线的移动量,即天文中所说的“红移”。把测到的超新星的红移和距离一一对应起来,可以画出所谓的哈勃图,不同的宇宙学模型的哈勃图是不一样的,因此用这种办法,可以了解宇宙到底是什么样的。
———— 没错,宇宙膨胀在加速 ————
有了珀尔马特、施密特和里斯所属的研究小组发现,超过50颗超新星所显现的光度比先前预期暗淡。孔旭阐释了这一研究发现为何可以显示出宇宙正在加速扩张——
首先假定宇宙在匀速膨胀,我们可以根据宇宙学模型算出一个距离d0。
如果宇宙减速膨胀,即膨胀越来越慢,那么超新星与我们的距离应该是d1,且d1/p>
如果宇宙在加速膨胀,超新星被所在星系裹挟着,以越来越快的速度相互远离,地球观测者到超新星的距离记作d2,且有d2>d0。这样相当于把一支蜡烛放得更远,它会显得更暗。
所以发现超新星光度比匀速膨胀宇宙模型显得暗淡,说明星系和其内部的超新星以越来越快的速度相互远离,宇宙膨胀在加速。
“宇宙加速膨胀的研究,推进了人类对宇宙的认知。但是对人类的生产、生活没有什么影响,因为人类活动的时间相对于宇宙时标,那真是弹指一挥间。”孔旭说。
■延伸阅读
因为超新星爆发是罕见的天文现象(一个典型的星系平均每500年才会出现1颗超新星爆发),所以很难利用,使得利用“Ia型超新星”了解宇宙演化项目在1980年代中期开始以来,进展一直很缓慢。经过多年努力,由劳伦斯伯克利实验室佩尔马特领导的“超新星宇宙学项目”研究组和里斯、施密特领导的“高红移超新星”研究组在1998年1月几乎同时公布了他们的观测结果:他们发现,高红移的超新星比他们原来预期的要暗。根据哈勃图,这表明宇宙的膨胀在加速而不是减速。宇宙加速膨胀的结果轰动了整个世界,并在1998年12月被美国《科学》杂志评为“年度科学突破”。