一只又死又活的薛定谔的猫

第七章 宇宙常数与暗能量

　　2011年的诺贝尔物理奖被授予三名天体物理学家：珀尔马特（Saul Perlmutter）、施密特（Brian Paul Schmidt）和里斯（Adam Guy Riess）。他们的主要成就是通过对距离遥远的超新星的观测，推断出宇宙正在加速膨胀，从而开启了人们对神奇的暗能量的认识之门。他们的发现被誉为“最近30年来对物理学最大的震撼”。要想了解这项工作的重要意义，还得从爱因斯坦的广义相对论说起。

　　爱因斯坦在发表了广义相对论之后，有一个问题一直困扰着他：宇宙中所有的物质之间都存在相互吸引的引力，为什么它们没有被吸到一起？是什么让宇宙能维持目前这种相对稳定的状态？这个问题很多年前就曾经让牛顿大伤脑筋，无路可走之下，牛顿最后只好把原因归结为上帝的安排。为了使宇宙不至收缩成一团，爱因斯坦在他广义相对论的引力场方程里引入了一个常数--宇宙常数，这个常数的作用是让宇宙间存在一种负压强。在日常生活里，我们知道流体（比如水）总是从压强高的地方流向压强低的地方。这种无处不在的负压强则会使宇宙具有膨胀的趋势，如果宇宙常数具有一个恰到好处的数值，负压强就能正好平衡掉物质间的引力，从而形成一个稳定的宇宙。

　　然而这一回物理学却和爱因斯坦开了一个大玩笑。

　　1929年，被尊为星系天文学之父的哈勃（Hubble，1889-1953）发现距地球越远的星系，离地球而去的速度就越快，而且这个速度（V）和地球与星系间的距离（D）成正比（D=H×V）。这就是著名的哈勃定律，比例常数H被称为哈勃常数。哈勃定律不仅适用于从地球上进行的观测，而且也适用于从宇宙中任何地方进行的观测，也就是说，无论观测者在哪儿，都会看到同样的现象。它意味着星系与星系间的距离在不断变大，因而宇宙并非是一个静态的、稳定的宇宙，它正在不断地膨胀！由此看来，在引力场方程中加进宇宙常数就成了画蛇添足之举。以宇宙在膨胀这一事实为出发点，如果将宇宙的演化看成一部电影，把这部电影反过来放就不可避免地得出宇宙有“起点”的结论，这是最早的对勒梅特（Lemaitre，1894-1966）在1927年提出的宇宙大爆炸理论的有力支持。根据大爆炸理论，宇宙最初从一点爆发出来，整个宇宙空间连同其内的物质一起“向外”膨胀，不管我们以哪个星系作为立足的观测点，其他星系都在离我们而去，这也正是哈勃定律的结论。有一点必须说明一下，“向外”是不确切的说法，因为根本没有“外”，膨胀的是我们身处其中的宇宙空间本身。

　　哈勃的发现具有划时代的意义。可惜在他活着的时候诺贝尔物理奖是不授予天文学方面的成果的，否则哈勃必获诺贝尔物理奖无疑（他死后不久，规则就修改了）。在得知了哈勃的观测结果之后，爱因斯坦立刻意识到宇宙常数的引入使他与从理论上预见到宇宙膨胀失之交臂。据说爱因斯坦曾对人讲过，引入宇宙常数是他犯的“最愚蠢的错误”。

　　初看起来，由于宇宙中物质间存在着引力，而引力具有让物质聚拢到一起的趋势，宇宙膨胀的速度应该会逐渐减小并在某个时间达到零。之后，宇宙将开始收缩，最终所有的物质将聚集成密度无穷大的一点，这就是宇宙的“大挤压”（Big Crunch）终结。不过也存在另一种可能，如果宇宙中的物质不够多，膨胀速度的减少就会不够快（减速度不够大），引力的作用则无法使膨胀速度最终达到零，那么宇宙就会永远膨胀下去。换句话说就是宇宙膨胀的减速度（与宇宙里所有物质的总质量相关）决定了宇宙的归宿。在宇宙学中，科学家们用一个称为Ω的值来衡量宇宙膨胀的减速度的大小，如果Ω小于1宇宙会以“大挤压”终结，如果Ω刚好是1，宇宙膨胀的速度最终会趋于零，但那是在无穷久远之后，因而宇宙不会收缩。

　　这个减速度如果真的存在，它将是对哈勃定律的一种修正，即会使膨胀速度与距离的关系稍稍偏离哈勃发现的线性关系。由于宇宙中物质的平均密度很低，引力引起的减速度非常之小，因而只有测量到非常遥远的星体的速度，才有可能看到速度与距离的关系是否（以及如何）偏离哈勃定律。麻烦的是，对于很远的星体，传统的测量距离的方法是不灵的。测量遥远星体的距离曾经是对天文观测的一个高难度挑战。比较可行的方法是通过测量星体的亮度来推算距离。一个具有一定亮度的物体，距离越远，看上去就越暗。一旦知道一个物体的绝对亮度（即零距离时的亮度），无论它在什么距离之外，通过测量它的相对亮度就可以算出它的距离。在天文学里，能够知道其绝对亮度的星体被称为“标准烛光”。经过千挑万选，天文学家们发现只有超新星有可能可以作为“标准烛光”。

　　超新星是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸都会发出极其明亮的光，过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系，并可持续几周至几个月才会逐渐衰减为不可见。根据估算，在像银河系大小的星系中，超新星爆发的概率约为50年一次。有关超新星的最早记录出自于我们的老祖宗之手，《后汉书天文志》载：“中平二年（185年）十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消。”这是历史上有记载的第一颗超新星，这颗超新星在夜空中照耀了8个月。虽然人类很早就观测到超新星，但想找到极为遥远的超新星却非常困难。另外，超新星有不止一种类型，最终可用作的“标准烛光”仅Ia型一类。

　　为了寻找远距离超新星，在1986年左右，洛伦兹-伯克利实验室专门设立了一项研究计划Supernova Cosmology Project（简称SCP），这个项目最初由潘奈派克（Penny Packer）领导，珀尔马特是成员之一。潘奈派克的学问虽然不错，但不善组织管理，时常把经费搞得乱七八糟。后来就由珀尔马特接手领导SCP。这个团队的成员主要是粒子物理学家，对天文学界来说他们是天文观测的门外汉，同时也可以算是“入侵者”。开始时很多人都等着看笑话，也有人认为这是在浪费资源，像天文学界的重量级人物、哈佛大学的科什纳（Kirshner）就经常给他们小鞋穿。但是当SCP观测到了第一颗远距离超新星后（1992年中），天文学界不得不开始对他们刮目相看。到1995年他们已经建立了一整套寻找远距离超新星的有效方法。也是在这一年，在施密特倡导下，以天文学家为主体的High-z团队正式成立了。High-z的成员来自很多国家，他们以投票的方式来决定是由重量级的科什纳还是由刚获得博士学位不久的施密特担任“首领”。选举结果让很多人跌破眼镜--施密特胜出。那时大概没人会想到这次投票实际决定了2011年的诺贝尔物理奖会花落谁家。High-z成立时已经比SCP落后了五六年，为了在这场竞赛中不被淘汰，必须急起直追。但是要想在超新星的数量上赶上SCP几乎已经不可能了，因此他们决定利用正牌天文学家在观测和分析技巧方面的优势，从质量上下功夫。由于定位得当，High-z不久就具备了与SCP一较短长的实力。这两个研究团队间的竞争用惨烈来形容也不算过分，他们之间的恩怨纠葛足可以写一本小说。

　　1998年初，经过多年的不懈努力，由珀尔马特领导的SCP和施密特领导的High-z团队终于收集到了足够的Ia型超新星的观测数据，可以计算决定宇宙“命运”的Ω值了。由里斯主导而得出的计算结果（所用的绝大部分超新星观测数据来自SCP）却让所有的人瞠目结舌--宇宙膨胀的速度不但不是在减少，反而是在不断增加！也就是说宇宙间可能存在一种无处不在的、推动整个宇宙加速膨胀的“暗能量”。更有甚者，这种奇特的暗能量占了宇宙总质量/能量的73%之多。这样的结论在一开始实在有点难以让人接受。于是有天文学家提出，也许宇宙中存在某种灰色尘埃，使超新星的亮度看上去比实际的亮度暗，从而导致了对距离的误判。如何排除灰色尘埃存在的可能性，使天体物理学家们伤透了脑筋。里斯那时是High-z的成员，同时也在太空望远镜科学研究所工作。他很快想到了一个可行的判断方法：大爆炸提供了宇宙膨胀的原始动力，其后的一段时间里由于宇宙空间很小，物质的密度很大，物质间的引力占统治地位。这期间引力的作用使物质聚拢而形成星体、星系、星系团，同时也会使宇宙膨胀呈减速的趋势（但也不足以使膨胀停止）。随着宇宙不断变大，物质的密度不断降低，物质间的引力逐渐减弱。当宇宙大到一定程度后，暗能量的作用就会超过引力的影响，宇宙膨胀的速度则开始从减少变成增加。如果真是这样，在这个转折点之前的超新星虽然更远（注意，我们看到的更远的星体，也就是宇宙更早期时它的状态）却反而应该更亮！这相当于说极遥远超新星和遥远超新星对哈勃定律的偏离应该是相反的。而灰色尘埃则不可能导致这种反向的偏离。只要能找到一颗极遥远的超新星，前面的难题就迎刃而解了。非常巧的是，在1997年，为了证明太空望远镜可以“见”地面望远镜所不能“见”，吉利兰（Gilliland）和菲利普斯（Phillips）曾经观测了两颗极远距离的超新星--SN1997ff和SN1997fg。不过由于他们的目的仅是要显示太空望远镜的优越性，这两颗超新星都只各有一次观测记录。而要确定超新星的标准亮度，需要多次在不同时间的观测结果。里斯抱着极为侥幸的心理查阅了SN1997ff和SN1997fg从爆发后到熄灭前这段时间太空望远镜的所有观测记录，他是想碰碰运气，看是否有人在进行其他目的的观测时恰巧捎带记录下了这两颗超新星的数据。里斯的运气实在是太好了，在1997年12月26日、1998年1月2日和6日的记录里真的存有SN1997ff的数据。经过对这些数据的分析，SN1997ff明显显示出对哈勃定律相反方向的偏离。里斯的结论为SCP和High-z共同完成的这项改变人类对宇宙认识的重要研究画下了一个完美的句号。

　　如果暗能量真的存在，它的效应就像前面提到过的负压强，也就意味着广义相对论的场方程里应该有那个宇宙常数。真是三十年河东三十年河西，引入宇宙常数忽然又从“最愚蠢的错误”一下变成了远见卓识！

　　近年来，一系列新的观测结果基本都指向同一结论：暗能量确实存在，宇宙正在加速膨胀。这意味着在很多亿年之后，各星系团之间的距离将太为遥远，以至于光都不能从一个星系团达到另一个星系团。如果那时人类还没有灭绝，他们将只能看到本星系团之内的星星，甚至根本不知道宇宙中还存在着其他的星系团！