星星诉说的秘密：介绍2011年诺贝尔物理学奖

■汪芃

“有人说世界将终结于熊熊烈火，有人说它将终结于凛凛寒冰……”

宇宙加速膨胀的发现让这些诺贝尔奖得主自己也大吃一惊。他们观测到的现象，就像把一颗球抛到空中，结果发现球不但没掉回地面，甚至还以越来越快的速度消失在空中，仿佛重力不足以扭转球的抛掷轨道。而整个宇宙目前的状态正是如此。

宇宙膨胀的速度越来越快，这暗示整个太空结构中存在着一股未知的能量，正将宇宙往四面八方推开。这股“能量”构成宇宙的绝大部分，占了70%以上，而且神秘费解，称得上是当今物理学领域中最大的谜团。因此，当1998年两个研究团队分别做出类似的研究结果时，宇宙论深受撼动的程度也就不难想象了。

这两个团队之一是“超新星宇宙学计划”研究团队，这项计划当时已进行10年，早自1988年便开始了，计划主持人正是萨尔·波尔马特。而布莱恩·施密特率领的则是另一个团队，他们在1994年年底展开一项研究计划，与波尔马特的团队互较高下。这项计划名为“高红移超新星搜寻团队”，而亚当·里斯是其中一大功臣。

这两个研究团队相互较劲，抢着早一步勾勒出宇宙的面貌，他们用的方法是设法找到最遥远的超新星。所谓超新星，即太空中爆炸的恒星，科学家想了解这些超新星和我们之间的距离以及它们远离地球的速度，进一步窥探宇宙最终的命运。这些科学家希望找到一些迹象，证明宇宙的扩张正在趋缓，也就是冰与火最后将达到某种平衡。然而他们观测到的结果却恰恰相反，他们发现宇宙竟然在加速膨胀中。

越来越大的宇宙

新的天文发现把旧有的宇宙观彻底颠覆，这已经不是史上头一遭了。就在区区一个世纪以前，世人还认为宇宙平静安详，且范围大约只有我们的银河系这么大，宇宙的钟也规律地走着，永恒而不灭。然而这样的观点很快便彻底扭转。

20世纪初，美国天文学家亨丽爱塔·勒维特发现了一个测量遥远恒星距离的方法。当时，女性天文学家不得使用大型望远镜，却常被交派分析照相底片的麻烦差事，勒维特便因此观察了数千个脉动的恒星，即“造父变星”。她发现恒星的光度越高，脉动周期也就越长，便用这项原理算出了造父变星的本质亮度。

而星星的亮度越小，就代表距离越远，因此只要知道某一颗造父变星有多远，就能借以推算出其他造父变星的距离。从此，一个可靠的标准烛光诞生了，天文学家有了造父变星的辅助，很快便了解到原来银河系只是一个星系，而宇宙中还有无数个这样的星系。到了20世纪20年代，天文学家利用当时全球第一大的美国加州威尔逊山望远镜进行观测，发现几乎所有星系都正离我们远去。当时这些科学家正在研究光源远离时所产生的一种“红移”现象，也就是当光线的波长被拉长，波长越大，光的颜色便会越偏红色。这项研究的结论是，各星系距离我们和距离彼此都越来越远，而且散得越远，移动的速度就越快，这就是我们所知的哈勃定律。因此，我们的宇宙越来越大了。

宇宙常数的建立和推翻

而这项太空观测成果之前早有理论预测了出来。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，建构了我们今天的宇宙观。根据这个理论，我们的宇宙不是在缩小就是在扩大。

这个令人不安的结论早在威尔逊山观测结果出炉前的10年就已经出现。宇宙竟然不是静态的，这点连爱因斯坦自己也无法释怀，因此为了避免得到宇宙正在膨胀的解，他在方程式中加进一个常数，称之为“宇宙常数”。爱因斯坦后来认为，加进这个宇宙常数是天大的错误。然而后来随着1997年和1998年的观测结果（也就是本届诺贝尔奖所表扬的研究成果）出炉，我们已经可以下结论：爱因斯坦提出的宇宙常数虽然出发点不对，但确实是个了不起的见解。

发现宇宙正在扩张是个划时代的里程碑，开创了现在大家普遍相信的论点：宇宙是140亿年前大爆炸的产物，时间和空间都始自大爆炸；而在那之后，宇宙便一直膨胀。如同蛋糕里的葡萄干在烤箱中会不停膨胀一样，由于宇宙扩张，各星系之间的距离也就日益增加了。但最后究竟会如何？

超新星──测量宇宙的新方法

爱因斯坦后来放弃了宇宙常数，臣服于“动态宇宙”的观点，并指出宇宙的几何形状影射着它最终的命运。宇宙究竟是密闭的还是开放的？或是介于两者之间——宇宙会是平坦的吗？

如果我们的宇宙是开放宇宙，就代表宇宙中物质具备的重力不够大，无法阻止宇宙膨胀，因此宇宙中的物质会日渐稀释，宇宙会变得越来越大、越来越冰冷空旷。而另一方面，如果我们的宇宙是封闭宇宙，就代表宇宙中含有够强的重力，足以终止甚至逆转宇宙的膨胀，因此宇宙最后将会停止扩张并往回缩，走向一个炙热狂暴的终点，也就是所谓的大坍缩。然而绝大多数宇宙学家却倾向于相信所谓的平坦宇宙，这个宇宙观比较简单，可以用漂亮的数学公式佐证。平坦宇宙的扩张会日渐趋缓，因此宇宙将不会毁于火焰，也不会灭于冰寒。只可惜这不是我们能选择的，因为如果宇宙常数存在，宇宙将会持续加速膨胀，即使宇宙是平坦的也一样。

2011年度的三位诺贝尔奖得主原本想测量的是宇宙减速，也就是宇宙的扩张日益趋缓的过程。他们用的观测法其实和60余年前的天文学者相差不多，也就是找遥远的恒星，测量这些星星移动的状况。但这方法说起来简单，要实行却不容易。从勒维特时代以来，科学家早已发现许多其他的造父变星，其中也不乏距离更远的，然而问题在于，现在这两个研究团队需要观测的距离非常远，隔着这几十亿光年的距离，我们根本观测不到造父变星发出的光。我们得寻找更亮的标准烛光。

而恒星爆炸后形成的超新星，就摇身一变成了新的标准烛光。自20世纪90年代以来，我们的地面和太空望远镜都越来越精良，计算机科技也日新月异，这些都成了突破的契机，有助于将宇宙的面貌勾勒得更为完整，而其中最关键的就是电荷耦合装置。电荷耦合装置是感光的数字影像侦测装置，发明人正是荣获2009年诺贝尔物理学奖的威里亚德·波伊和乔治·史密斯。

爆炸的白矮星

天文学家的新法宝是一种特殊的爆炸恒星——Ia超新星。单单一颗Ia超新星，就能发出和整个星系一样强的光线，亮度可维持数周。这类超新星是白矮星爆炸所形成的。白矮星是一种密度极高的衰老恒星，质量可比太阳，体积却可能和地球差不多大，而它的生命周期走到尽头便是爆炸。

一颗恒星将核心的能量耗竭后就会变成白矮星，内部所有的氢气和氦气都已在核反应过程中燃烧殆尽，只剩下碳和氧气。我们的太阳在遥远的未来也会这样衰老冷却，迈向死亡，成为一颗白矮星。

假使有一颗白矮星是双星系统的一部分，它的生命尾声就更惊险刺激了，而这情况还算常见。这种白矮星的强大重力会把伴星的气体抽走，当这颗白矮星的质量增加到1.4倍太阳质量时，就再也无法保持完整，内部温度会变得极高，会开始产生失控的熔合反应，只需要几秒，这颗白矮星便会碎裂四散。

这些核融合产物在爆炸后的几周会放出很强的辐射，然而接下来就会逐渐减弱，几个月后会完全结束，所以想找超新星，手脚一定要快，因为剧烈的爆炸正如同昙花一现。在我们可见的宇宙中，每分钟大约会出现10个Ia超新星，但宇宙何其大，一般而言，在一个星系里，每1000年只会出现一个或两个超新星爆炸。2011年9月，我们很幸运地观测到一个超新星，位于北斗七星附近的一个星系中，亮度很高，用一般的双筒望远镜就能看到。但其实大多数超新星距离我们遥远多了，因此亮度低很多。那么，我们究竟该何时仰天远望，又到底该望向何处？

出人意表的成果

这两个彼此较劲的研究团队都明白，他们得在浩瀚苍穹中寻找遥远的超新星，而不二法门就是比较同一处天空在不同时间点的影像，如果我们把手伸长比划，这块天空的范围只有指甲般大小而已。第一张影像得在新月之后拍摄，接着隔三周再拍摄第二张影像，再晚的话星光就会被月光遮蔽了。然后研究人员便会比对这两个影像，看看是否能找到小亮点，如此很可能就能找到遥远星系中的超新星──而这在电荷耦合装置影像中不过是一个小小的像素而已。为避免局部失真的干扰，研究人员只用可见宇宙1/3以外距离的超新星。

研究人员还得解决许许多多的其他问题。首先，Ia超新星不如他们原先所想的可靠，因为爆炸后亮度减弱的过程其实比预估的要来得长。再者，他们还得先扣除超新星所在的宿主星系发出的光，才能得出超新星本身的亮度。此外另一项重要任务则是确保得到的亮度准确无误，因为星星和我们之间的星系际尘埃会影响星光的亮度，所以计算超新星的最大亮度时便可能受到干扰。

寻觅超新星的任务除了挑战科学和科技的极限之外，实际的工作流程也是一大考验。科学家得先找到适合的超新星，接着必须测量出超新星的红移及亮度，然后配合长期分析所得到的光变曲线数据，如此才能和其他已知距离的同类超新星做比较。整个研究团队要在短时间内迅速决定某颗星是否值得观测，他们得同时用好几台望远镜进行观测，必须准时获得使用望远镜的许可，延误不得。申请使用望远镜的程序常常得花上几个月，但研究人员的动作要快，否则超新星很快便会暗淡消失。在这个过程中，两个竞争的研究团队还默默打过几次照面。

这整个过程中可能出的差错不计其数，这两个研究团队一度也认为自己真的出错了，因为他们测到同样令人讶异的成果：他们共找到50个遥远的超新星，而每一个超新星的亮度都比预估的还低，这和他们原先想象的不同。如果宇宙膨胀的速度已经逐渐趋缓，那超新星应该会亮一点才对，然而这些超新星却越来越暗淡，它们随着所处的星系加速远离我们。因此研究成果出乎意料：宇宙膨胀并没有减缓，反而还加速了。

从现在到永恒

那么，究竟是什么力量在驱使宇宙加速膨胀？这个力量正是暗能量。暗能量是物理学中的一道难题，至今无人能解。一些学者都曾提出相关假说，而最简单的做法就是沿用爱因斯坦提出又自己推翻的宇宙常数。当年爱因斯坦为了得出静态宇宙，便在他的方程式中加入一个反重力的宇宙常数，以抵消宇宙中物质的重力。而如今，这个宇宙常数的存在却反倒解释了宇宙加速膨胀的现象。

顾名思义，宇宙常数是恒定不变的，不会随着时间改变，因此几十亿年来，随着宇宙膨胀，物质越来越分散，重力也随之稀释，暗能量在宇宙中所占的比例就越来越高了。科学家说，在宇宙的历史中，宇宙常数很晚才出现，时间是五六十亿年前，而上述现象正是原因。因为在五六十亿年前，宇宙中物质的重力才终于减弱到比宇宙常数还小，而在那之前，宇宙膨胀确实处于减速的状态。

宇宙常数很可能源自真空。但根据量子物理学，宇宙的真空并非真的空空如也，而是像一锅煮沸冒泡的量子汤，物质和反物质的虚粒子在汤里不断冒出又消失，如此便会释放出能量。然而用最简单的方法估算暗能量的结果，却跟科学家在宇宙中实际测得的暗能量有很大的差别，整整大了10120倍！因此，理论和实际观测到的现象之间仍存在一道鸿沟，科学家至今仍无法解释。10的120次方有多大呢？地球上所有沙滩的沙粒加起来甚至不到10的20次方！

或许暗能量根本不是恒定的，而会随着时间改变；也或许宇宙中存在一个不定期产生暗能量的未知力场，物理学中确实有很多这样的力场，物理学家把这些力场统称为“第五元素”。第五元素能使宇宙加速扩张，但只偶尔才会起作用。如此看来，我们将永远无法预测宇宙的命运。

无论暗能量究竟为何，这股能量似乎确实存在。它确实能帮忙拼凑出宇宙的面貌，替物理学家及天文学家解答长久以来的疑惑。依照目前学界的共识，宇宙中约有3/4是暗能量，其余则是物质。但一般的物质，也就是构成星系、星星、人类及花朵等的物质只占全宇宙的5%，其余全是所谓的“暗物质”，目前我们仍一无所知。

暗物质是宇宙中另一道难解的谜题。暗物质和暗能量一样，是看不见的，因此我们只能藉由暗能量和暗物质产生的效果来分辨二者——暗能量负责推，而暗物质负责拉，二者除了名称里都有“暗”这个字外，其他全无共通之处。

因此，2011年诺贝尔物理学奖得主的发现，帮助人类看见一个有95%都是目前科学无法解释的宇宙。从今而后，一切又充满各种可能了。