宇宙在膨脹

      天文學發(fā)現顛覆我們對于宇宙的觀點，這已經不是第一次了。就在100年前，人們還認為宇宙是一個寧靜的所在，比我們的銀河系大不了多少。宇宙學時鐘可靠而又穩(wěn)定地滴答作響，記錄著時間的平穩(wěn)流逝，而宇宙本身則是永恒的，無始無終。但沒過多久，一種顛覆性的紅移就改變了人們的這種觀點。

在20世紀初，美國天文學家漢麗埃塔?斯萬?勒維特（Henrietta Swan Leavitt）發(fā)現了一種測量遙遠恒星距離的方法。當時，女性天文學家沒有接觸大型望遠鏡的資格，但她們被天文臺雇傭，來從事分析照相底板的繁重工作。漢麗埃塔?勒維特研究了上千顆被稱為造父變星（Cepheid）的脈動變星，發(fā)現越明亮的造父變星，脈動的周期也越長。利用這樣的信息，勒維特能夠計算出造父變星自身的亮度。

只要有一顆造父變星的距離是已知的，其他造父變星的距離就可以推算出來——恒星的光顯得越暗，它的距離就越遠。一種可靠的標準燭光就這樣誕生了，直到今天，它們仍是宇宙距離標尺上的第一個標記。利用這些造父變星，天文學家很快就得出結論——銀河系只是宇宙中許多星系中普普通通的一個。到了20世紀20年代，美國加利福尼亞威爾遜山上當時世界上最大的望遠鏡投入了使用，這讓天文學家能夠證明，幾乎所有星系都在遠離我們而去。他們研究的是一種叫做“紅移”（redshift）的現象，當光源遠離我們而去時就會出現。光的波長會被拉長，而波長越長，它的顏色就越紅。天文學家得出的結論是，星系不光在離我們而去，彼此之間也在相互遠離，而且距離越遠，逃離的速度就越快——這被稱為哈勃定律（Hubble’s law）。宇宙正在膨脹。

觀測到的宇宙膨脹，在理論計算中其實已經被人提出過了。1915年，愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對論，此后這一直是我們理解宇宙的基礎。按照廣義相對論，宇宙只能收縮或者膨脹，不可能穩(wěn)定不變。

這個令人不安的結論，提出的時間比天文學家發(fā)現星系遠離早了差不多10年。就連愛因斯坦都難以忍受宇宙不可能穩(wěn)定不變這一事實。因此，為了消滅這種他不想要的宇宙膨脹，愛因斯坦在他的方程里加了一個常數，他稱之為“宇宙學常數”（ cosmological constant）。后來，愛因斯坦認為，加上這個宇宙學常數是一個大錯誤。然而，有了那些完成于1997-1998年、并在今年獲得諾貝爾物理學獎的宇宙學觀測，我們可以得出這樣的結論——愛因斯坦加上宇宙學常數的這一招實在是聰明絕頂，雖然他當年的理由是錯的。

發(fā)現宇宙膨脹，讓我們邁出了奠定基礎的第一步，最終得出了今天的標準宇宙學觀點，即宇宙誕生于大約140億年前的一場大爆炸。時間和空間都起始于那一時刻。從那時起，宇宙就一直在膨脹；星系則像是烤箱中正在膨脹的蛋糕里夾雜的葡萄干，由于宇宙學膨脹而彼此遠離。但未來的命運又將如何？

當愛因斯坦放棄宇宙學常數，轉而向非靜態(tài)宇宙觀點投誠時，他把宇宙的幾何形狀同宇宙的命運聯系了起來。宇宙到底是開放的、閉合的，還是介于兩者之間——是平坦的呢？

開放的宇宙，指的是物質引力不足以阻止宇宙膨脹。這樣的話，所有物質都會在一個越來越大、越來越冷、越來越空曠的空間中不斷稀釋下去。閉合的宇宙則剛好相反，引力強大的足以停止甚至逆轉宇宙的膨脹。這樣的話，宇宙最終會停止膨脹，然后坍縮回來，在一場熾熱而劇烈的大擠壓（Big Crunch）中終結。然而，大多數宇宙學家都更喜歡生活在一個最簡單、數學上也最優(yōu)雅的宇宙之中——這就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨脹會越來越慢。因此，宇宙最終不是會終

結于烈火，就是會終結于寒冰。這是我們無法選擇的事情。如果存在宇宙學常數，那么膨脹就將持續(xù)加速，哪怕宇宙是平坦的。

今年的諾貝爾物理學獎獲得者當年認為，他們會測量到宇宙減速膨脹，測量出宇宙膨脹的速度是如何減慢的。他們采用的方法，從原理上講，跟60多年前天文學家所用的方法是一樣的——那就是給遙遠的恒星定位，并測量它們如何運動。然而，說起來容易做起來難。自漢麗埃塔?勒維特發(fā)現造父變星的秘密以來，天文學家在越來越遠的距離上找到了許多其他的造父變星。但在天文學家所要測量的距離上，即數十億光年以外，造父變星已經無法看見。宇宙標尺必須延長才行。

超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的標準燭光。地面和太空中越來越先進的望遠鏡，以及越來越強大的計算機，在20世紀90年代開啟了全新的可能性，讓天文學家有能力為宇宙學拼圖填上更多空缺的內容。其中最關鍵的技術進步，則是光敏數碼成像傳感器CCD的發(fā)明——發(fā)明者威廉?波義耳（Willard Boyle）和喬治?史密斯（George Smith）因為這項發(fā)明獲得了2009年諾貝爾物理學獎。

天文學家工具箱中的最新工具，是一類特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短幾星期之內，單單一顆這樣的超新星發(fā)出的光足以與整個星系相抗衡。這類超新星是白矮星（white dwarf）爆炸的結果——這種超致密老年恒星像太陽一樣重，卻只有地球這么大。這種爆炸是白矮星生命循環(huán)中的最后一步。

白矮星是一顆恒星核心處無法提供更多能量時形成的，因為所有的氫和氦都已經在核反應中耗盡了，只剩下了碳和氧。通過同樣的方式，在久遠的未來，我們的太陽也會變成一顆白矮星，最終變得越來越暗，越來越冷。

如果一顆白矮星處在一個雙星系統(tǒng)之中（這是相當常見的），那么就會有更令人激動的結局在等待著它。在這種情況下，白矮星強大的引力會從它的伴星身上搶奪氣體。然而，一旦白矮星超過1.4倍太陽質量，它就再也無法維持下去了。此時，白矮星內部會變得足夠熾熱，啟動一場失控的核聚變反應，整個恒星會在幾秒鐘內被炸得粉身碎骨。

這些核聚變產物會釋放出強烈的輻射，在爆炸之后的最初幾星期內迅速增亮，直到隨后的幾個月內才逐漸變暗。因此，發(fā)現這些超新星必須要快，因為它們劇烈的爆發(fā)相當短暫。在整個可觀測宇宙之中，平均每分鐘大約爆發(fā)10顆Ia型超新星。但宇宙實在太過巨大。一個典型的星系平均每1000年才會出現一到兩顆超新星爆發(fā)。2011年9月，我們很幸運地在北斗七星附近的一個星系中觀測到了這樣一顆超新星爆發(fā)，通過一副普通的雙筒望遠鏡就能夠看到。但大多數超新星離我們要遙遠得多，因而也暗淡得多。那么，面對這么大一片天空，我們究竟應該在什么時間往哪里看呢？