超新星爆发及宇宙加速膨胀——2011年度诺贝尔物理学奖简介

韩 锋

（广西河池学院物理与电子工程系 广西 河池 546300）

2011年度的诺贝尔物理学奖授给了三位天体物理学家，以表彰他们在天体物理学方面的卓越成就：通过观测超新星爆发，发现了宇宙的加速膨胀.这三位天体物理学家是美国加州大学伯克利分校的S·佩尔马特（S.Perlmutter，图1），他领导了1988年启动的“超新星宇宙学项目”；澳大利亚国立大学的B·施密特（B.Schmidt，图2），他领导了1994年启动的“高红移超新星研究组”；美国霍普金斯大学的A·里斯（A.Riess，图3），他对有关观测数据进行了系统分析.

图1 S·佩尔马特

图2 B·施密特

图3 A·里斯

1 爱因斯坦的静态宇宙模型

当初，爱因斯坦设想的宇宙，应该是静态的，而且是有限无边的，有正的常曲率.它的二维类比就是球面，这样的模型当然是最简单的，而这才符合爱因斯坦心目中的美学理想.为了做到这一点，他在宇宙的引力场方程中加了一个含“宇宙常量”的项Λgμν，成为

因为如果没有这一项，宇宙中物质之间的万有引力会使得整个宇宙整体收缩而不稳定，代表斥力的这一项加进去，就可以抵消这种收缩而使其处于静态.这一项被叫做宇宙项，Λ就叫做宇宙常量.

2 宇宙膨胀的发现

后来，苏联科学家弗里德曼（A.A.Friedmann）对爱因斯坦宇宙的引力场方程进行了理论分析，指出爱因斯坦设想的宇宙方程是不稳定的，引力场方程的解是动态的，要么膨胀，要么收缩.1927年美国天文学家哈勃（E.P.Hub ble）通过长期天文观测，发现了河外星系的谱线红移，根据多普勒效应，这种谱线红移，说明宇宙在不断膨胀.于是，爱因斯坦公开承认，他当初在方程中引入那个不等于零的宇宙常量Λ，是他一生中所犯的最大的一个错误.

事态的发展是戏剧性的.后来的大量观测，包括2011年获奖的这三位科学家的工作都发现，现在的宇宙不但是膨胀的，而且是加速膨胀的，这很出乎人们原来认为宇宙将逐渐减速的预料.或许，当初爱因斯坦引力场方程中的那个“宇宙项”还是加对了的，正是它代表的这个斥力，不但抵消了引力，还促使其加速膨胀.这样看来，爱因斯坦当初真还没有错，方程有时候真的比创建它的人还要聪明！

那么，这一项背后的物质基础是什么呢？很可能，它就是近年来被炒得沸沸扬扬的“暗能量”.人们发现，用现有的科学手段所能探测到的物质只占总量的很少一部分，还有约占总量的是“暗能量”，它使物质之间产生负压强，是一种反引力 —— 斥力.这种强大的斥力足以使宇宙产生加速膨胀.至于这种“暗能量”究竟是什么，至今还不知道.

3 超新星爆发与宇宙加速膨胀

从超新星爆发怎么就能知道宇宙是加速膨胀的呢？

众所周知，任何星体在其核燃料耗尽行将死亡之前的“回光返照”，就是超新星爆发.之后它将成为白矮星、中子星或者黑洞，视其剩余的质量大小而定.这三位天体物理学家观测的是Ⅰa型超新星，因为它的亮度高度一致，所以可被用来作为测量星系距离的“标准烛光”.这种超新星是白矮星从其伴星中吸积物质到超过1.4个太阳质量（钱德拉塞卡极限）后发生的爆炸.超新星爆发在几个星期内就迅速增亮到亮度很大的程度，然后在几个月内逐渐消退，所以观察还是很明显的.

哈勃定律说，膨胀星系的退行速度与星系和我们的距离成正比，越远的星系退行得越快.如此说来，一颗有确定亮度的超新星，如果距我们越近则看起来应该更亮，不料观测的结果正好相反，距离约几十亿光年及更远的超新星，看起来比预期的要暗得多（要暗20%到30%）.这意味着，它们处在比预期距离更远的位置上.也就是说，宇宙膨胀是在加速的.

这三位天体物理学家从1988年开始观测了大约50颗这样的超新星爆发，证实了宇宙在加速膨胀的事实.下一步的工作，当然就是要解释为什么会出现这种加速.可以预料，如果那设想中的“暗能量”和“暗物质”（暗物质约占物质总量的22%，表现为引力效应）一旦被发现，则必是下一个诺贝尔物理学奖的获得者无疑.