宇宙如何膨脹？
—— 所有的星系都在離我們遠去
導讀：1915年，愛(ài)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，不可能穩定不變。但事實(shí)剛好相反：宇宙正在膨脹。觀(guān)測到的宇宙膨脹，在理論計算中其實(shí)已經(jīng)被人提出過(guò)了。宇宙的膨脹始于140億年前的大爆炸，但在最初幾十億年里，宇宙膨脹的速度是越來(lái)越慢的。但最終，它開(kāi)始加速膨脹。這種加速被認為是由暗能量驅動(dòng)的，這種暗能量起初只占宇宙的一小部分。但隨著(zhù)物質(zhì)在宇宙膨脹過(guò)程中逐漸稀釋?zhuān)的芰孔兊迷絹?lái)越顯著(zhù)。
1 、宇宙的膨脹來(lái)自超新星的大爆炸
超新星（即大質(zhì)量恒星）爆炸的概念是1934年由茨維基和巴德提出的。他們猜測當一些恒星壽命結束時(shí)將會(huì )塌縮，然后發(fā)生爆炸，其亮度可達到十億甚至百億個(gè)太陽(yáng)的亮度，巴德和茨維基也觀(guān)測到了一些超新星。
宇宙中其實(shí)有兩種不同的超新星：一種是茨維基最早提出的核塌縮超新星，另一種其爆炸機理不同，現在一般認為是白矮星（質(zhì)量比較低的恒星比如太陽(yáng)在燃盡核燃料后就會(huì )變成白矮星）從其伴星中吸積（吸積是圍繞年輕恒星的星盤(pán)入面的碎片漸漸變大,最后形成行星的過(guò)程;即是天體通過(guò)引力“吸引”和“積累”周?chē)镔|(zhì)的過(guò)程。）物質(zhì)，到一定程度后再發(fā)生核爆炸。但有趣的是，茨維基和巴德最早觀(guān)測到的超新星都是后面這種他們所未曾想到過(guò)的類(lèi)型，他們把這種發(fā)生爆炸的白矮星稱(chēng)為“Ia型超新星”。
2 、如何發(fā)現宇宙中的“超新星”？
盡管我們上面超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一點(diǎn)。如何尋找超新星？這意味著(zhù)研究團隊必須徹查整個(gè)天空，來(lái)尋找遙遠的超新星。訣竅就在于，比較同樣的一小塊天空拍攝于不同時(shí)間的兩張照片。這一小塊天空的大小，就相當于你伸直手臂時(shí)看到的指甲蓋大小。第一張照片必須在新月之后拍攝，第二張照片則要在3個(gè)星期之后，搶在月光把星光淹沒(méi)之前拍攝。接下來(lái)，兩張照片就可以拿來(lái)比對，希望能夠從中發(fā)現一個(gè)小小光點(diǎn)，即CCD圖像中的一個(gè)像素——這有可能就是遙遠星系中爆發(fā)了一顆超新星的標志。只有距離超過(guò)可觀(guān)測宇宙半徑1/3的超新星才是可用的，這樣做是為了消除近距離星系自身運動(dòng)而帶來(lái)的干擾。
3 、宇宙膨脹的加速度來(lái)自一種未知的暗能量
是什么在加速宇宙膨脹呢？這種神秘力量被稱(chēng)為暗能量，它向物理學(xué)提出了一大挑戰，至今無(wú)人能夠破解這一謎題?？茖W(xué)家已經(jīng)提出了若干想法。宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊藏于空間結構中的某種未知能量的推動(dòng)下，宇宙正在分崩離析。這種所謂的“暗能量”（dark energy）占據了宇宙成分的絕大部分，含量超過(guò)70%。它的本質(zhì)仍然是謎，或許是今天的物理學(xué)面臨的最大謎題。
宇宙的組成部分，除去上文所說(shuō)的暗能量，還有像我們人類(lèi)所在的這個(gè)星球這樣的常規物質(zhì)之外，還有一個(gè)組成部分那就是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是我們大都未知的宇宙中另一個(gè)迄今未解的謎題。與暗能量一樣，暗物質(zhì)也是不可見(jiàn)的。對于這兩樣東西，我們只知道它們發(fā)揮的作用—— 一個(gè)是推，另一個(gè)是拉。名字前面那個(gè)“暗”字，是它們唯一的共同點(diǎn)。
4 、超新星爆炸時(shí)的“紅移”現象說(shuō)明，星系正在離我們遠去
紅移現象指的是白矮星爆炸的光在遠離我們的時(shí)候，其光波長(cháng)會(huì )被拉長(cháng)，而波長(cháng)越長(cháng)，它的顏色就越紅。目前對紅移現象的公認解釋為：速度造成紅移。例如：當一列火車(chē)向我們奔馳而來(lái)時(shí)，它的汽笛聲尖銳刺耳，因為火車(chē)的高速運動(dòng)使聲波波長(cháng)被壓縮，能量密度增加。相反，當火車(chē)離開(kāi)我們飛馳而去時(shí)，它的汽笛聲則低沉幽緩，簡(jiǎn)稱(chēng)多普勒效應。
光波的紅移現象指的是：物體輻射的波長(cháng)因為光源和觀(guān)測者的相對運動(dòng)而產(chǎn)生變化。在20實(shí)際20年代，世界上最大的天文望遠鏡投入使用之后，美國天文學(xué)家哈勃于1929年確認，遙遠的星系均遠離我們地球所在的銀河系而去。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(chēng)為哈勃定律（Hubble’s law），這也說(shuō)明宇宙正在膨脹。
5 、超新星的爆炸成為宇宙新的“標準燭光”
今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者當年認為，他們會(huì )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(xué)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(dòng)。
那些光亮變化穩定的恒星中有一個(gè)關(guān)聯(lián)：光變周期越長(cháng)，亮度就越大。由于知道了視亮度和真實(shí)亮度，就可以計算恒星的距離，因此光變周期成為了計算變星距離的理想手段。也因此，一種被稱(chēng)為“造父變星”的恒星，成為早期宇宙的“標準燭光”。所謂標準燭光，指的是人們可以用造父變星來(lái)測量視差法無(wú)法測量的特大距離。
“ 造父變星”是亮度有顯著(zhù)變化的恒星
在解釋造父變星之前，先來(lái)看看什么是變星(variable star)，狹義上指的是“亮度有顯著(zhù)起伏變化”的恒星。宇宙中，一些恒星在光學(xué)波段的物理條件和光學(xué)波段以外的電磁輻射有變化，天文學(xué)家將其稱(chēng)為變星，如光譜變星、磁變星、紅外變星、X射線(xiàn)新星等。星空中那些亮度隨時(shí)間而改變的恒星被稱(chēng)為變星。變星分很多種，光學(xué)變星和物理變星。光學(xué)變星因為雙星互繞，當其中一個(gè)遮蔽到另外一個(gè)時(shí)，造成觀(guān)測上的視覺(jué)差異，使得觀(guān)測者認為恒星亮度改變。物理變星是因為恒星本身內源或者大氣狀態(tài)不穩定，造成亮度改變。它分為脈動(dòng)變星和爆炸性變星。
“造父變星”是一類(lèi)重要的變星的統稱(chēng)
荷蘭人古德里克在研究仙王座恒星時(shí)，發(fā)現其中的一顆名為“仙王座δ”的亮度會(huì )有規律地起伏變化，在中國古代將“仙王座δ”稱(chēng)作“造父一”，因此這顆有規律變換光亮的恒星就被稱(chēng)為“造父一”。而古德里克觀(guān)察到“造父一”的光度周期（即從最暗變到最亮又回到最暗所需要的時(shí)間）是5天9小時(shí)，這是一種脈動(dòng)型變星。此后人們發(fā)現了更多這樣的變星，于是就將其中最重要的一類(lèi)命名為“造父變星”，以最著(zhù)名的變星成員“造父一”而得名。
結語(yǔ)：宇宙的加速膨脹是一個(gè)驚人的重大發(fā)現，因此其發(fā)現者獲得諾貝爾獎也是意料之中的。但是，暗能量的本質(zhì)仍是一個(gè)還未解決的問(wèn)題。對這一問(wèn)題的研究，也很可能是未來(lái)基礎物理學(xué)發(fā)展的突破口。所以2011年諾貝爾物理學(xué)獎的發(fā)現，也只是向科學(xué)界揭露了一個(gè)95%的成分仍然未知的宇宙。
1996 年5月《天文學(xué)期刊》收到一份關(guān)于揭示暗能量存在的投稿，幾十年來(lái)，物理學(xué)家們一直相信萬(wàn)有引力應該會(huì )使宇宙的膨脹速度慢下來(lái)。而同年晚些時(shí)候發(fā)布的關(guān)于一項獨立工作的研究表明，實(shí)際上宇宙在加速膨脹，這股令宇宙膨脹的力量就是暗能量。馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠鏡科學(xué)研究所的理論物理學(xué)家馬里奧·利維奧（Mario Livio）曾用比喻來(lái)形容它：“把我的鑰匙拋向空中，地球的引力使這串鑰匙向上的速度慢下來(lái)并回到我的手中。”但暗能量卻使“鑰匙突然直沖天花板。”
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