2010年10月，NASA太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到一顆巨大的超新星，它的光芒被數(shù)百年前自身爆炸產(chǎn)生的灰塵和氣體遮掩

    1、獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

    2、哈勃定律與微波背景輻射

    3、超新星：宇宙膨脹的“燭光指示器”

    4、暗能量：宇宙加速膨脹的驅(qū)動(dòng)力

    4、宇宙學(xué)常數(shù)的沉浮

    獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

    當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月4日11時(shí)45分，2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)在瑞典首都斯德哥爾摩揭曉，美國(guó)科學(xué)家索爾·珀?duì)栺R特、擁有美國(guó)和澳大利亞雙重國(guó)籍的科學(xué)家布賴恩·施密特以及美國(guó)科學(xué)家亞當(dāng)·里斯，以他們?cè)谔祗w物理學(xué)方面的卓越研究成果獲此殊榮。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)表示，今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的成就“與整個(gè)宇宙相關(guān)”，這三位獲獎(jiǎng)?wù)摺把芯繋资w處于爆炸狀態(tài)的恒星、即‘超新星’，發(fā)現(xiàn)宇宙正在擴(kuò)張過程中，擴(kuò)張速率不斷加速”。

　　盡管科學(xué)家在將近一個(gè)世紀(jì)前便知曉宇宙正在膨脹，但諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員仍用“令人震驚”來形容三位獲獎(jiǎng)?wù)哧P(guān)于宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)。評(píng)委會(huì)聲明，他們的研究成果震動(dòng)了宇宙學(xué)理論基礎(chǔ)，宇宙在很大程度上依然充滿未知數(shù)。

    哈勃定律與微波背景輻射

    1929年，埃德溫·哈勃在使用望遠(yuǎn)鏡對(duì)星系進(jìn)行大量觀測(cè)的基礎(chǔ)上，獲得了一項(xiàng)改變歷史的重大發(fā)現(xiàn)。這就是，宇宙中的星系都在遠(yuǎn)離我們而去；離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，背離我們向遠(yuǎn)處運(yùn)動(dòng)的速度越快。這個(gè)事實(shí)，現(xiàn)在稱為“哈勃定律”。

　　憑什么說星系在遠(yuǎn)離我們而去呢？直接的證據(jù)就是光譜的紅移。光也是一種波，同聲波一樣，也有多普勒效應(yīng)。天體朝向地球運(yùn)動(dòng)，它發(fā)出的光的波長(zhǎng)變短；背離地球運(yùn)動(dòng)，光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。不同的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的顏色。光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，顏色向紅色一端偏移；波長(zhǎng)變短，顏色向藍(lán)色一端偏移。前者被稱為“紅移”，后者被稱為“藍(lán)移”。

　　在實(shí)際觀測(cè)中，星系的光譜上夾雜有好些暗線，稱為吸收譜線，它們是天體所含有的各種元素吸收了對(duì)應(yīng)位置的色光所留下的空缺。我們知道，每種元素都有各自的特征譜線，天文學(xué)家把觀測(cè)得到的某個(gè)天體的光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)某種元素的吸收譜線與其本來應(yīng)該在的標(biāo)準(zhǔn)位置的偏移，從而根據(jù)多普勒效應(yīng)推斷出該天體的運(yùn)動(dòng)速度。哈勃測(cè)量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)處星系的吸收譜線普遍向紅端偏移，而且越遠(yuǎn)的星系紅移量越大，也就是說遠(yuǎn)離我們的速度就越大。

　　哈勃定律向我們表明，“宇宙正在膨脹”！

　　利用現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到了遠(yuǎn)在100億光年之外的遙遠(yuǎn)星系。觀測(cè)資料表明，即使如此遙遠(yuǎn)的星系，它們也在背離我們的銀河系迅速遠(yuǎn)去。

    今天人們耳熟能詳?shù)挠钪娲蟊ɡ碚摚畛跗鋵?shí)并未引起關(guān)注。直到1964年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位天文學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射才名聲大振。他們當(dāng)時(shí)正在測(cè)試一架衛(wèi)星接收天線，結(jié)果探測(cè)到一種干擾測(cè)試的微波噪音，無(wú)論把天線指向天空的什么方向都排除不掉這種噪音。后來，兩人知道這就是宇宙背景輻射。由于這一發(fā)現(xiàn)，兩人獲得了1978年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。霍金指出，電視在切換頻道時(shí)看到的雪花，百分之幾就歸因于宇宙微波背景。

　　為了確認(rèn)這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家對(duì)這種輻射的譜分布和方向進(jìn)行了大規(guī)模的調(diào)查，分別在地面上對(duì)70厘米波長(zhǎng)到毫米波的不同波段進(jìn)行測(cè)量。2001年美國(guó)宇航局發(fā)射了威爾金森各向異性探測(cè)衛(wèi)星（WMAP），對(duì)微波背景輻射進(jìn)行了精確的測(cè)定，并得出微波背景是宇宙大爆炸后38萬(wàn)年的余輝。

　　那么，宇宙微波背景輻射是怎么回事呢？大爆炸宇宙論預(yù)言，初期宇宙處在灼熱狀態(tài)，當(dāng)時(shí)的宇宙一定充滿了光。因?yàn)?，?dāng)初充滿宇宙的那種包含了氫原子核、氦原子核和電子的氣體具有非常高的溫度，必然要發(fā)出顏色同其溫度相對(duì)應(yīng)的光。但隨著膨脹，宇宙逐漸冷卻下來。在宇宙誕生38萬(wàn)年以后，宇宙溫度到達(dá)3000K左右，那些分散的原子核和電子被靜電力結(jié)合在一起，開始形成原子。在原子誕生之前，受到到處飛舞的電子的阻擋，光無(wú)法沿直線徑直行進(jìn)。但是在原子誕生出來之后，光就可以沿直線行進(jìn)了。那時(shí)候的光今天仍然應(yīng)該在宇宙空間沿直線繼續(xù)行進(jìn)。在空間傳播的光波，即電磁波，其波長(zhǎng)會(huì)隨著宇宙的膨脹而被拉長(zhǎng)。那時(shí)的光到了現(xiàn)在，已經(jīng)變成了波長(zhǎng)相當(dāng)長(zhǎng)的光，即變成了“微波”，這就是宇宙背景輻射。

     超新星：宇宙膨脹的“燭光指示器”

     進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期，天文學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)Ia型超新星是遙遠(yuǎn)星系的絕佳距離指示器。

　　 超新星可以理解為恒星演化到晚期的“回光返照”——恒星死亡之前的突然增亮。根據(jù)前身恒星質(zhì)量的不同，宇宙中的超新星可以分為兩類：一種是大質(zhì)量恒星演化到晚期，核塌縮導(dǎo)致整個(gè)星體在短時(shí)間內(nèi)爆炸，使得星體的亮度短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到十億甚至百億個(gè)太陽(yáng)的亮度。這類超新星被稱作“II型超新星”，但是他們的光度差異很大，不能用做距離的指示器。另一種是中、小質(zhì)量的恒星在燃盡核區(qū)燃料后，變成白矮星。當(dāng)白矮星周圍有一個(gè)伴星時(shí)，白矮星將把其伴星的物質(zhì)吸引和累積在其表面，到一定程度（即質(zhì)量上限，約為1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量）后發(fā)生核爆炸。這類超新星被稱為“Ia型超新星”。因白矮星有1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量上限，白矮星發(fā)生超新星爆炸時(shí)大多都比較接近這個(gè)質(zhì)量，所以它們爆炸前的燃燒物質(zhì)基本一樣多，燃燒發(fā)出的光度基本也一樣。

　　既然所有的“Ia型超新星”的光度相等，那么根據(jù)觀測(cè)到的一顆“Ia型超新星”的視亮度，就可以推測(cè)它到地球的距離。就像一支蠟燭放在離觀察者不同距離的地方，它們的亮度會(huì)不一樣。離觀察者近，看上去亮；離觀察者遠(yuǎn)，看上去暗。這樣就可以通過觀測(cè)它的亮度來計(jì)算蠟燭的距離。

    另一方面，科學(xué)家還可以觀測(cè)到這些“Ia型超新星”的光譜，從中測(cè)出超新星的光譜中某些譜線的移動(dòng)量，即天文中所說的“紅移”。把測(cè)到的超新星的紅移和距離一一對(duì)應(yīng)起來，可以畫出所謂的哈勃圖，不同的宇宙學(xué)模型的哈勃圖是不一樣的，因此用這種辦法，可以了解宇宙到底是什么樣的。

　　有了珀?duì)栺R特、施密特和里斯所屬的研究小組發(fā)現(xiàn)，超過50顆超新星所顯現(xiàn)的光度比先前預(yù)期暗淡。這一研究發(fā)現(xiàn)可以顯示出宇宙正在加速擴(kuò)張——

　　首先假定宇宙在勻速膨脹，我們可以根據(jù)宇宙學(xué)模型算出一個(gè)距離d0。

　　如果宇宙減速膨脹，即膨脹越來越慢，那么超新星與我們的距離應(yīng)該是d1，且d1

　　如果宇宙在加速膨脹，超新星被所在星系裹挾著，以越來越快的速度相互遠(yuǎn)離，地球觀測(cè)者到超新星的距離記作d2，且有d2>d0。這樣相當(dāng)于把一支蠟燭放得更遠(yuǎn)，它會(huì)顯得更暗。

　　所以發(fā)現(xiàn)超新星光度比勻速膨脹宇宙模型顯得暗淡，說明星系和其內(nèi)部的超新星以越來越快的速度相互遠(yuǎn)離，宇宙膨脹在加速。

　　暗能量：宇宙加速膨脹的驅(qū)動(dòng)力

　　根據(jù)已知的萬(wàn)有引力論，人們一直認(rèn)為“宇宙正在減速膨脹”，并在到達(dá)膨脹極限后反向“濃縮”。因此今年獲諾貝爾獎(jiǎng)的的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，本來只是想了解宇宙最終“濃縮”后的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致怎樣一種消亡。

    然而他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹不僅正在加速，而且已經(jīng)偷偷加速了幾十億年。這種加速如今被認(rèn)為是由某種“暗能量”驅(qū)動(dòng)的。這種“暗能量”起初只占宇宙的一小部分，但隨著宇宙物質(zhì)在宇宙膨脹過程中逐漸被稀釋，這種暗能量如今已占據(jù)了宇宙成分總含量超過70%。它的本質(zhì)卻仍然是謎，或許仍是當(dāng)今物理學(xué)面臨的最大謎題。

　　科學(xué)家認(rèn)為，這種“暗能量”一定來自于一種能夠產(chǎn)生斥力的物質(zhì)。也許，它可能根本就不是常數(shù)，會(huì)隨時(shí)間變化。又或許一種未知的力場(chǎng)只是偶爾產(chǎn)生了暗能量。

　　但因?yàn)椤鞍的芰俊比栽谥饾u“強(qiáng)大”，預(yù)言宇宙未來會(huì)如何，成了一件不可能完成的任務(wù)。也許膨脹永遠(yuǎn)加速下去，未來將是一望無(wú)際的黑暗和孤獨(dú)，宇宙將在不斷加速的膨脹中逐漸變得冰冷與死寂。也許時(shí)空逐漸扭曲，就連原子都不能避免被撕碎的命運(yùn)。

     “宇宙學(xué)常數(shù)”的沉浮

    宇宙學(xué)常數(shù)（cosmological constant）由愛因斯坦首先提出，代表著愛因斯坦對(duì)靜態(tài)宇宙的哲學(xué)信念。然而膨脹宇宙的天文觀測(cè)結(jié)果，讓人們認(rèn)識(shí)到宇宙不是靜止的。晚年時(shí)的愛因斯坦曾把“宇宙學(xué)常數(shù)”的引入，說成是他“一生中最大的失誤”。

　  當(dāng)哈勃得意洋洋地將膨脹宇宙的天文觀測(cè)結(jié)果展示給愛因斯坦看時(shí)，這位常常被稱作“孤獨(dú)的人”的偉大的科學(xué)家慚愧極了。他不會(huì)知道的是，一代代科學(xué)家們?nèi)栽谧巫尾痪氲匮芯窟@一“反引力的固定數(shù)值”，并在探索中漸漸明白，為什么愛因斯坦如此鐘愛這個(gè)理論；而今，宇宙常數(shù)依然是當(dāng)今物理學(xué)最大的疑問之一。

　　2011年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的珀?duì)栺R特、施密特和里斯在對(duì)超新星的觀測(cè)中，表明宇宙在加速膨脹，宇宙確實(shí)存在一種使得宇宙膨脹不斷加速的斥力，而“宇宙學(xué)常數(shù)”代表的斥力項(xiàng)仍然是有意義的。歷史的戲劇性，在“哈勃定律”問世80多年后又證明了愛因斯坦的“倔強(qiáng)”沒有錯(cuò)。