2010年10月，NASA太空望遠鏡拍攝到一顆巨大的超新星，它的光芒被數百年前自身爆炸產(chǎn)生的灰塵和氣體遮掩
1、獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎
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：宇宙加速膨脹的驅動(dòng)力
4、宇宙學(xué)常數的沉浮
獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎
當地時(shí)間10月4日11時(shí)45分，2011年諾貝爾物理學(xué)獎在瑞典首都斯德哥爾摩揭曉，美國科學(xué)家索爾·珀爾馬特、擁有美國和澳大利亞雙重國籍的科學(xué)家布賴(lài)恩·施密特以及美國科學(xué)家亞當·里斯，以他們在天體物理學(xué)方面的卓越研究成果獲此殊榮。諾貝爾物理學(xué)獎評選委員會(huì )表示，今年諾貝爾物理學(xué)獎得主的成就“與整個(gè)宇宙相關(guān)”，這三位獲獎?wù)摺把芯繋资w處于爆炸狀態(tài)的恒星、即‘超新星’，發(fā)現宇宙正在擴張過(guò)程中，擴張速率不斷加速”。
盡管科學(xué)家在將近一個(gè)世紀前便知曉宇宙正在膨脹，但諾貝爾物理學(xué)獎評選委員仍用“令人震驚”來(lái)形容三位獲獎?wù)哧P(guān)于宇宙加速膨脹的發(fā)現。評委會(huì )聲明，他們的研究成果震動(dòng)了宇宙學(xué)理論基礎，宇宙在很大程度上依然充滿(mǎn)未知數。
哈勃定律與微波背景輻射
1929年，埃德溫·哈勃在使用望遠鏡對星系進(jìn)行大量觀(guān)測的基礎上，獲得了一項改變歷史的重大發(fā)現。這就是，宇宙中的星系都在遠離我們而去；離我們越遠的星系，背離我們向遠處運動(dòng)的速度越快。這個(gè)事實(shí)，現在稱(chēng)為“哈勃定律”。
憑什么說(shuō)星系在遠離我們而去呢？直接的證據就是光譜的紅移。光也是一種波，同聲波一樣，也有多普勒效應。天體朝向地球運動(dòng)，它發(fā)出的光的波長(cháng)變短；背離地球運動(dòng)，光的波長(cháng)變長(cháng)。不同的波長(cháng)對應不同的顏色。光的波長(cháng)變長(cháng)，顏色向紅色一端偏移；波長(cháng)變短，顏色向藍色一端偏移。前者被稱(chēng)為“紅移”，后者被稱(chēng)為“藍移”。
在實(shí)際觀(guān)測中，星系的光譜上夾雜有好些暗線(xiàn)，稱(chēng)為吸收譜線(xiàn)，它們是天體所含有的各種元素吸收了對應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(xiàn)，天文學(xué)家把觀(guān)測得到的某個(gè)天體的光譜與標準光譜進(jìn)行對比，不難發(fā)現某種元素的吸收譜線(xiàn)與其本來(lái)應該在的標準位置的偏移，從而根據多普勒效應推斷出該天體的運動(dòng)速度。哈勃測量的結果發(fā)現，遠處星系的吸收譜線(xiàn)普遍向紅端偏移，而且越遠的星系紅移量越大，也就是說(shuō)遠離我們的速度就越大。
哈勃定律向我們表明，“宇宙正在膨脹”！
利用現代望遠鏡，天文學(xué)家已經(jīng)觀(guān)測到了遠在100億光年之外的遙遠星系。觀(guān)測資料表明，即使如此遙遠的星系，它們也在背離我們的銀河系迅速遠去。
今天人們耳熟能詳的宇宙大爆炸理論，最初其實(shí)并未引起關(guān)注。直到1964年，美國貝爾實(shí)驗室的兩位天文學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現了微波背景輻射才名聲大振。他們當時(shí)正在測試一架衛星接收天線(xiàn)，結果探測到一種干擾測試的微波噪音，無(wú)論把天線(xiàn)指向天空的什么方向都排除不掉這種噪音。后來(lái)，兩人知道這就是宇宙背景輻射。由于這一發(fā)現，兩人獲得了1978年度諾貝爾物理學(xué)獎?；艚鹬赋?，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。
為了確認這一發(fā)現，科學(xué)家對這種輻射的譜分布和方向進(jìn)行了大規模的調查，分別在地面上對70厘米波長(cháng)到毫米波的不同波段進(jìn)行測量。2001年美國宇航局發(fā)射了威爾金森各向異性探測衛星（WMAP），對微波背景輻射進(jìn)行了精確的測定，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？大爆炸宇宙論預言，初期宇宙處在灼熱狀態(tài)，當時(shí)的宇宙一定充滿(mǎn)了光。因為，當初充滿(mǎn)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應的光。但隨著(zhù)膨脹，宇宙逐漸冷卻下來(lái)。在宇宙誕生38萬(wàn)年以后，宇宙溫度到達3000K左右，那些分散的原子核和電子被靜電力結合在一起，開(kāi)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(xiàn)徑直行進(jìn)。但是在原子誕生出來(lái)之后，光就可以沿直線(xiàn)行進(jìn)了。那時(shí)候的光今天仍然應該在宇宙空間沿直線(xiàn)繼續行進(jìn)。在空間傳播的光波，即電磁波，其波長(cháng)會(huì )隨著(zhù)宇宙的膨脹而被拉長(cháng)。那時(shí)的光到了現在，已經(jīng)變成了波長(cháng)相當長(cháng)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80年代中期，天文學(xué)家們才發(fā)現Ia型超新星是遙遠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。根據前身恒星質(zhì)量的不同，宇宙中的超新星可以分為兩類(lèi)：一種是大質(zhì)量恒星演化到晚期，核塌縮導致整個(gè)星體在短時(shí)間內爆炸，使得星體的亮度短時(shí)間內可達到十億甚至百億個(gè)太陽(yáng)的亮度。這類(lèi)超新星被稱(chēng)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燃料后，變成白矮星。當白矮星周?chē)幸粋€(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(lèi)超新星被稱(chēng)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，那么根據觀(guān)測到的一顆“Ia型超新星”的視亮度，就可以推測它到地球的距離。就像一支蠟燭放在離觀(guān)察者不同距離的地方，它們的亮度會(huì )不一樣。離觀(guān)察者近，看上去亮；離觀(guān)察者遠，看上去暗。這樣就可以通過(guò)觀(guān)測它的亮度來(lái)計算蠟燭的距離。
另一方面，科學(xué)家還可以觀(guān)測到這些“Ia型超新星”的光譜，從中測出超新星的光譜中某些譜線(xiàn)的移動(dòng)量，即天文中所說(shuō)的“紅移”。把測到的超新星的紅移和距離一一對應起來(lái)，可以畫(huà)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。
有了珀爾馬特、施密特和里斯所屬的研究小組發(fā)現，超過(guò)50顆超新星所顯現的光度比先前預期暗淡。這一研究發(fā)現可以顯示出宇宙正在加速擴張——
首先假定宇宙在勻速膨脹，我們可以根據宇宙學(xué)模型算出一個(gè)距離d0。
如果宇宙減速膨脹，即膨脹越來(lái)越慢，那么超新星與我們的距離應該是d1，且d1
如果宇宙在加速膨脹，超新星被所在星系裹挾著(zhù)，以越來(lái)越快的速度相互遠離，地球觀(guān)測者到超新星的距離記作d2，且有d2>d0。這樣相當于把一支蠟燭放得更遠，它會(huì )顯得更暗。
所以發(fā)現超新星光度比勻速膨脹宇宙模型顯得暗淡，說(shuō)明星系和其內部的超新星以越來(lái)越快的速度相互遠離，宇宙膨脹在加速。
暗能量：宇宙加速膨脹的驅動(dòng)力
根據已知的萬(wàn)有引力論，人們一直認為“宇宙正在減速膨脹”，并在到達膨脹極限后反向“濃縮”。因此今年獲諾貝爾獎的的兩個(gè)研究團隊，本來(lái)只是想了解宇宙最終“濃縮”后的結果，會(huì )導致怎樣一種消亡。
然而他們在研究中發(fā)現，宇宙膨脹不僅正在加速，而且已經(jīng)偷偷加速了幾十億年。這種加速如今被認為是由某種“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)宇宙物質(zhì)在宇宙膨脹過(guò)程中逐漸被稀釋?zhuān)@種暗能量如今已占據了宇宙成分總含量超過(guò)70%。它的本質(zhì)卻仍然是謎，或許仍是當今物理學(xué)面臨的最大謎題。
科學(xué)家認為，這種“暗能量”一定來(lái)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，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。
但因為“暗能量”仍在逐漸“強大”，預言宇宙未來(lái)會(huì )如何，成了一件不可能完成的任務(wù)。也許膨脹永遠加速下去，未來(lái)將是一望無(wú)際的黑暗和孤獨，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。
“宇宙學(xué)常數”的沉浮
宇宙學(xué)常數（cosmological constant）由愛(ài)因斯坦首先提出，代表著(zhù)愛(ài)因斯坦對靜態(tài)宇宙的哲學(xué)信念。然而膨脹宇宙的天文觀(guān)測結果，讓人們認識到宇宙不是靜止的。晚年時(shí)的愛(ài)因斯坦曾把“宇宙學(xué)常數”的引入，說(shuō)成是他“一生中最大的失誤”。
當哈勃得意洋洋地將膨脹宇宙的天文觀(guān)測結果展示給愛(ài)因斯坦看時(shí)，這位常常被稱(chēng)作“孤獨的人”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)家們仍在孜孜不倦地研究這一“反引力的固定數值”，并在探索中漸漸明白，為什么愛(ài)因斯坦如此鐘愛(ài)這個(gè)理論；而今，宇宙常數依然是當今物理學(xué)最大的疑問(wèn)之一。
2011年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的珀爾馬特、施密特和里斯在對超新星的觀(guān)測中，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”代表的斥力項仍然是有意義的。歷史的戲劇性，在“哈勃定律”問(wèn)世80多年后又證明了愛(ài)因斯坦的“倔強”沒(méi)有錯。
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