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物理学奖:宇宙将终结于寒冰

2011-10-17 14:02 作者:曹玲来源:三联生活周刊
如果这样,遥远的星系最终将迅速分离,失去任何联系,所有物质都会在一个越来越大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。

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诺贝尔物理学奖得主萨尔·波尔马特

有人说世界将终于烈火,有人说将终于寒冰。大约137亿年前,宇宙在烈火中诞生。当时宇宙所有的物质都高度密集在一点,有着极高的温度,发生了巨大的爆炸。大爆炸以后,物质开始向外大膨胀,形成了今天我们看到的宇宙。在过去100年里,从阿尔伯特·爱因斯坦到斯蒂芬·霍金的大多数科学家,一直都认为宇宙膨胀会越来越慢,最后停止,并由于星系重心吸引力作用向内部坍缩,一切星系再度相聚成一点,形成一个紧密的物质团,成为最初的大爆炸情景的反演,被称为“大坍缩”,这将摧毁宇宙中所有的生命。

所以,当1998年有两队研究超新星的科学家发现,宇宙膨胀并未减缓,实际上是在加速的时候,是多么令学界震惊。换句话说,我们的宇宙正在撕裂它自己。

这两个队伍一个是由加州理工大学52岁的萨尔·波尔马特(Saul Perlmutter)领导的“超新星宇宙计划”(Supernova Cosmology Project)。另一个是由哈佛大学44岁的布莱恩·施密特(Brian Schmidt)领导的国际项目“高阻超新星研究”(High-z Supernova Search Team),41岁的亚当·里斯(Adam Riess)当年也参与其中。

在过去的数年里,这三位天文学家已经分享了很多奖项,他们相互之间已经非常熟悉。这两个队伍属于竞争性团队,分别试图用Ia型超新星作为宇宙的灯塔来勾勒宇宙膨胀,目标都是测量宇宙膨胀速度的减慢。如何测量宇宙的膨胀速度并非简单的事,需要给遥远的恒星定位,测量它们如何运动。Ia型超新星是白矮星爆炸的结果,这种超致密老年恒星像太阳一样重,却只有地球这么大。白矮星爆炸在短短几周内,发出的光足以与整个星系相抗衡。由于每颗“Ia型超新星”爆发时质量均一致,它们爆炸发出的能量和射线强度也一致,因此通过在地球上观测“Ia型超新星”亮度的变化,可以准确推算出它们和地球距离的变化,并据此计算出宇宙膨胀的速度。

他们发现了大约50颗遥远的超新星,星光比预期的要暗。这一结果与科学家事先的预期完全相反,因为如果宇宙膨胀越来越慢的话,超新星应该显得更亮才对。然而,随着超新星被所在星系裹挟,以越来越快的速度相互远离,它们的亮度也会越来越暗。于是,这两组科学家得出了相同的结论:宇宙膨胀非但没有越来越慢,反而恰恰相反——宇宙膨胀在加速。

如果这样,遥远的星系最终将迅速分离,失去任何联系,所有物质都会在一个越来越大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。按照诺贝尔奖委员会的说法,这个获奖成果告诉我们,包括地球在内的整个宇宙最终都将会变成冰。

但是让科学家不解的是,是什么在加速宇宙膨胀?这就好比向空中扔出一个球,如果地球引力是唯一的作用力,这只球最后将减缓速度,并开始落向地面。可是现在我们从宇宙看到的却是这只球不但没有减缓速度下落,反而以加速度逃离我们而去。

这种神秘力量被称为暗能量,它向物理学提出了一大挑战,至今无人能够破解这一谜题。科学家已经提出了若干想法,最简单的办法,是重新引入爱因斯坦一度放弃的“宇宙常数”。

1915年,爱因斯坦发表了他的广义相对论。按照广义相对论,宇宙只能收缩或者膨胀,但是爱因斯坦相信宇宙处于亘古不变的稳定状态,于是在他的方程式中加入一个“宇宙常数”,代表一种抵消宇宙物质重力、维持稳态的神秘斥力。

1929年,美国天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃宣布,根据宇宙观测结果,所有的星系都在远离地球而去,也就是说宇宙不是稳态,而是在膨胀。自此,爱因斯坦抛弃了“宇宙常数”,视之为一生最大的错误。

但是这三位科学家的研究结果证实,爱因斯坦没错,宇宙中确实存在推动宇宙分离的力量。按照现在公认的观点,宇宙大约有3/4是由暗能量构成,剩余的才是物质。但那些构成星系、恒星和人类等等的普通物质只占宇宙成分的5%,其他物质被称为暗物质,至今无法观测到,成为让天文学家和物理学家头疼的问题。

天文学说到底还是一门需要观测的科学。里斯在邮件中写道:“获得这些结果不是用心或者脑子,而是眼睛。毕竟我们是观测者。”继续观测、寻找暗能量,已然成为下一代科学家的艰巨挑战。■

 

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