高精狙击枪玩具:解读诺贝尔物理学奖：宇宙加速膨胀谁是推手？

　　“有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰……”

　　宇宙最终的命运是什么？或许它将终结于寒冰，如果我们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的话。这些科学家仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为“超新星”的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。那么，推动这种膨胀的动力是什么呢？他们又是如何观察到宇宙正在加速膨胀的呢？

　　新闻回顾

　　发现宇宙在加速膨胀

　　瑞典皇家科学院10月4日宣布，将2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家索尔·珀尔马特、拥有美国和澳大利亚双重国籍的科学家布赖恩·施密特以及美国科学家亚当·里斯，因为他们“通过观测遥远超新星而发现宇宙加速膨胀”。

　　即便是对这些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的意料。他们本以为会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，结果他们发现了完全相反的事实——宇宙膨胀正在加速。按照他们的发现，宇宙正在膨胀，这种膨胀始于137亿年前的大爆炸，但在最初几十亿年里，宇宙膨胀的速度是越来越慢的。但最终，它开始加速膨胀。

　　动力本质是谜的暗能量

　　宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。这种所谓的“暗能量”占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越显著。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。

　　理论解读

　　新标尺一类特殊恒星爆炸之光

　　发现宇宙膨胀，让我们迈出了奠定基础的第一步，最终得出了今天的标准宇宙学观点，即宇宙诞生于大约137亿年前的一场大爆炸。从那时起，宇宙就一直在膨胀；星系则由于宇宙膨胀而彼此远离。

　　今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他们采用的方法，从原理上讲跟60多年前天文学家所用的方法是一样的——那就是给遥远的恒星定位，并测量它们如何运动。在以“造父变星”为标尺之后，超新星，也就是恒星的爆炸成了新的标准烛光。

　　天文学家的最新工具，是一类特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。这类超新星是白矮星爆炸的结果——这种超致密老年恒星像太阳一样重，却只有地球这么大。这种爆炸是白矮星生命循环中的最后一步。

　　如果一颗白矮星处在一个双星系统之中(这是相当常见的)，并且超过1.4倍太阳质量，它的内部就会变得足够炽热，启动一场失控的核聚变反应，整个恒星会在几秒钟内被炸得粉身碎骨。这些核聚变产物会释放出强烈的辐射，在爆炸之后的最初几星期内迅速增亮，直到随后的几个月内才逐渐变暗。这种亮度是科学家观测星体距离的重要参量。

　　发现这些超新星必须要快，因为它们剧烈的爆发相当短暂。一个典型的星系平均每1000年才会出现一到两颗超新星爆发。 2011年9月，科学家很幸运地在北斗七星附近的一个星系中观测到了这样一颗超新星爆发，通过一副普通的双筒望远镜就能够看到。

　　观测比对不同期照片找不同

　　研究者都知道，他们必须彻查整个天空，来寻找遥远的超新星。诀窍就在于，比较同样的一小块天空拍摄于不同时间的两张照片。这一小块天空的大小，就相当于你伸直手臂时看到的指甲盖大小。第一张照片必须在新月之后拍摄，第二张照片则要在3个星期之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。接下来，两张照片就可以拿来比对，希望能够从中发现一个小小光点——这有可能就是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。

　　推论星光变暗→宇宙膨胀加速

　　这条研究道路上存在太多潜在的陷阱，事实上令这几队科学家能够放下心来的原因在于，他们得出了惊人但却相同的结果：总的来说，他们发现了大约50颗遥远的超新星，它们的星光似乎比预期的要暗。这一结果与科学家事先的预期完全相反。如果宇宙膨胀越来越慢的话，超新星应该显得更亮才对。然而，随着超新星被所在星系裹挟着，以越来越快的速度相互远离，它们的亮度也会越来越暗。他们得出的结论出人意料：宇宙膨胀非但没有越来越慢，反而恰恰相反——宇宙膨胀在加速。

　　谜题暗能量究竟是什么？

　　为了解释加速膨胀，科学家设计出许多假说，影响最大的就是“暗能量模型”。暗能量是对未知物质形态的描述。我们熟悉的世界——地球、星辰和身边万物，都是由可见的物质构成的，另一种超然于常规物质的是“暗物质”。物质和暗物质是由基本粒子构成，相互间有引力；但让宇宙加速膨胀的斥力则源自“暗能量”。这两个“暗字头”的名词，是物理学至今无解的谜题。对于这两样东西，我们只知道它们发挥的作用——一个是推，另一个是拉。

　　理论物理学推算认为，如果用暗能量解释，那么宇宙的74%是由暗能量构成，22%是暗物质，而可通过常人直觉和经典理论描述、印证的物质只占4%——事实上，我们对绝大部分世界懵懂无知；在1998年超新星实验前，根本没人意识到约占3/4的暗能量世界的存在。

　　复旦大学教授、理论物理学家苏汝铿告诉记者，暗能量并非是宇宙加速膨胀的唯一解释，另外还有数十种模型，其中包括修正广义相对论，但迄今没有任何模型堪称完美。

　　理论推测

　　宇宙将走向何方？

　　按照宇宙学理论，大爆炸启动于宇宙创始后的 “10的35次方”(1千亿亿亿亿)分之1秒，持续到“10的32次方”分之1秒，其间，宇宙从10的25次方分之1米胀成了柚子大小，之后是持续的减速膨胀，直到星系形成 (大约是70亿~90亿年前)。之后便是如今的 “加速膨胀期”。在宇宙137亿年的历程中，算上大爆炸，一共加速膨胀了2次，当中夹着一次减速膨胀。在减速膨胀期，引力是主流，暗能量的斥力几乎可忽略不计；但随着宇宙演变，暗能量逐渐加大。

　　目前没人知道现在的这次加速膨胀会不会一直持续。物理学家们提出了一些假说：如果持续膨胀，那么宇宙最终将变成无比寒冷的世界。也有人认为，未来某天，宇宙会减慢膨胀，直至重新收缩，恢复到最初的状态，新一轮大爆炸又会来临——这就是“毁灭于火”。

　　据报道，一项以美国为首的研究计划正在南美洲部署新一代观测工具，它能更精确地测算宇宙膨胀的速度变化。也许到那个时候，宇宙的走向会更清晰一些。

　　据果壳、《文汇报》报道

　　名词解释

　　【超新星】 对于大质量(相当于太阳质量的8~20倍)的恒星，在演化后期，星核和星壳彻底分离时，往往要伴随着一次超级规模的大爆炸。这种爆炸就是超新星爆发。

　　【暗能量】 是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。

　　【暗物质】 指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。

　　【造父变星】 是一类高光度周期性脉动变星，也就是其亮度随时间呈周期性变化。由于根据造父变星周光关系可以确定星团、星系的距离，因此造父变星被誉为“量天尺”。