宇宙为什么会加速膨胀

伤我心太深

宇宙原来不是无限的，时空也不是永恒的20世纪20年代以前，如果有人提问：“我们的宇宙从何而来?又将走向何方?”科学家都无法回答。因为直到那时，科学家运用牛顿力学考察宇宙，得出的科学结论是：“我们的宇宙无论是时间还是空间都是永恒的、无限的。我们的时空没有起点，也没有终了。”这就是距今不到百年前的科学宇宙观。

我为《新发现》写专栏已经快九年了，九年来，几乎每年我都会写到宇宙加速膨胀。这有两个原因，一个原因是天文学观测每年总会为我们提供宇宙加速膨胀的新证据，另一个原因是我们一直还不能理解宇宙为什么会加速膨胀。

当然，物理学界和天文学界的主流观点认为，宇宙中存在着一种神秘的能量，这种能量之间不仅不产生万有引力，反而产生万有斥力，万有斥力随着空间尺度的增大而变强，因此即使在太阳系和银河系尺度上万有引力依然主导，在百亿光年的尺度上，万有斥力成为主导的力量，这样就使得宇宙膨胀的速度越来越快。打个比方，就像我们在一只被抛上天空的苹果后面加了一个推进器，苹果不仅不会落下来，其离开地球的速度反而会越来越大。

物理学家将产生万有斥力的神秘能量称为暗能量，因为这种能量除了产生斥力之外，不会导致任何可能被观测到的其他物理现象，这也是物理学家对暗能量感到头疼的原因，因为标准的物理理论中除了真空能，还没有任何其他能量有这种怪异的特点。

你可能会说，既然真空能可以产生万有斥力而不导致其他物理现象，那就用真空能解释万有斥力好了，为什么物理学家还不满意？

物理学家不满意的主要原因是，我们无法解释真空能为什么恰好这么大，为什么恰好是其他物质能量的三倍左右。倒退回一百亿年前，因为真空能密度不会变化，而物质密度随宇宙尺度变化，那时的真空能比物质密度要小。考虑一个极端情况，如果我们回到宇宙大爆炸的最初三分钟，那时的物质密度是真空能密度的许多许多倍，真空能密度对宇宙的膨胀不产生任何可见的影响。因此，这就带来一个难以回答的问题，为什么当人类出现之后，真空能密度恰好赶上并超过了物质密度？这个问题被物理学家叫做巧合问题。

过去，我不止一次地在我的专栏中宣传过我自己的关于暗能量的理论，这个理论叫做全息暗能量模型，在这个模型中，暗能量有一个奇怪的特点，它的密度只有到了今天才大致不变，而在宇宙的早期是变化的，特别的，在宇宙的暴涨时期，它被宇宙暴涨迅速稀释，这样，当宇宙暴涨结束时，物质密度远远超过了暗能量的密度，这是为什么当宇宙只有三分钟的时候，物质密度远远大于暗能量密度，而到了今天，暗能量密度终于又赶上并超过了物质密度。

我对这个模型感到相当满意，在过去11年中，每年都会写一篇甚至多篇论文研究这个模型。当然，我到今天也还不能从某个基本物理学原理出发推导出全息暗能量模型。

最近，由于一个偶然的事情，我再一次想到霍金的无界宇宙理论。这个理论在去年美国的电影《万物理论》中被提到，我想，也许现在是重新思考无界理论的时候了，因为，几乎从来没有人想过霍金的理论与暗能量之间的关系。既然没有人想过，为什么我不想上一想？

霍金的无界理论其实不是霍金一个人提出来的，是他和物理学家哈特尔在上世纪八十年代初一起提出来的，两人也一起写了一篇论文，这篇论文到了今天被其他物理学家引用了近两千次。其实，无界理论可以追朔到上世纪六十年代，两位研究爱因斯坦理论的重要物理学家惠勒和德维特提出整个宇宙必须满足一种量子力学方程，这个方程很类似量子力学中的薛定谔方程，只是不含时间，因为时间本身在宇宙学中是一个衍生概念,也就是说，当宇宙膨胀了，时间就出现了。霍金和哈特尔提出了满足惠勒-德维特方程的一个特殊解。

当我和两位年轻人——我的学生黄越和我的博士后黄鹏——重新讨论惠勒-德维特方程的时候，我们得到了一个令我们十分惊讶的发现：如果我们要求整个宇宙的波函数有一个有限的几率解释，那么宇宙必须加速膨胀。

目前，这是一个数学结果，我们正在寻找这个数学结果的物理原因，也就是说，宇宙加速膨胀就导致宇宙波函数有有限几率，反之亦然，这到底是为什么？

为了解释波函数有限几率的含义，我来举一个简单的例子。考虑一个基本粒子，如电子，均匀地分布在整个空间，此时，粒子在任何一个地方的几率都相等，这样，粒子的波函数就不会有有限的几率，因为均匀的几率导致粒子在整个无限大空间中得几率变得无限大——除非我们假设粒子在任何一个地方的几率为0。什么时候粒子的几率是有限的？只有当我们将这个基本粒子放在有限的空间中才会这样，比如在某个有限的空间中粒子的几率是均匀的，那么在这个空间中任何一个地方的单位体积中粒子的几率是这个有限空间体积的倒数。

换句话说，如果宇宙加速膨胀，那么，宇宙的几率在任何一个几何上是有限的，并且在所有可能的情况下是有限的，这自然是一个令人惊讶的结果。我们可以想象，也许创造宇宙的上帝不喜欢无限大，他希望几率本身是可计算的，这样，宇宙波函数的几率必须是有限的，从而宇宙必须加速膨胀。

这是一个想当然的解释，其背后的真正物理图像并不清楚。我希望，也许当我们理解了背后的物理故事之后，我们也就真正理解了宇宙为什么会加速膨胀。



  1929年，美国天文学家哈勃(1889～1953)根据观测发现星系距离的远近和星系谱线红移的大小成正比，即星系距离越远，它们四向退行的速度越大。后人将观测到的这一天象称为“哈勃定律”。哈勃定律显示的就是宇宙的时空整体在四向膨胀。宇宙既然在膨胀，必然有膨胀的起点，所以，宇宙一定有诞生；既然有诞生，就一定有迄今为止的年龄，以及诞生之后，膨胀至今的大小领域，因此，宇宙不是无始无终的，不是无限的，而是有限的；既然有年龄，就必然有生老病死，所以宇宙就不是永恒的和宁静的，而是演化的和动态的。这一来，完全颠覆了传统的奉为经典的宇宙观。
    宇宙膨胀的发现、取证和确认，被认为是20世纪最重要的、意义深远的天文进展和成就，它改变了世人和公众对宇宙面貌和本原的认知和理解。
宇宙的膨胀起源于“大爆炸”
    自从得知“宇宙膨胀”这一新天象之后，有的公众就问，如果宇宙确实在膨胀，为何感知不到月球、火星、木星、太阳在远离地球而去，也没听说太阳系在膨胀，银河系在膨胀呢?如果再往下问就是：宇宙为什么会膨胀?膨胀之力来自何方?宇宙未来的命运会是什么?
  关于地球人为什么感觉不到“宇宙膨胀”的疑问，不难解答。宇宙膨胀的速率是多少呢?根据201 1年最新修订的测定值是：每300万光年每秒73．8千米。就是说，在每300万光年辽阔的空间领域内，每秒的膨胀速率是73．8千米。要知道地月距离才1光秒多，日地距离8光分多，太阳系“半径”(太阳～海王星的距离)约5光时。在这样小的空间范围，当然察觉不出“宇宙膨胀”。不仅如此，即便在太阳系到银河系的两个伴星系(大麦哲伦云和小麦哲伦云)的50～60万光年的空间领域，以及地球到距离最近的大旋涡星系——仙女星系的约220万光年的空间范围，由于膨胀速率小于星系自身的空间运动速度而不易察觉。只有当宇宙的空间尺度远大于几百万光年的前提下，宇宙的膨胀才显现，并成为宇宙大尺度结构的最主要特征。
宇宙一直膨胀下去吗?
    哈勃自从确认星系的普遍红移现象并建立了哈勃定律之后，随即和他的科研同仁持续地探究：在更深远的空间，哈勃定律是否继续有效?膨胀速率是恒定的吗?会不会减速?
    20世纪下半叶，随着更多的大型光学望远镜的兴建问世，科学家继续向更深远的天际进军，将探究的距离扩展到40～50亿光年的远处。结果发现，哈勃定律仍然有效，宇宙依旧稳步地四向膨胀。进入80年代，随着科技的进步，一批口径8～10级的巨型光学望远镜的陆续落成，观天、新型探测器件取代了经典的照相手段、以及计算机在天文观测和数据处理的广泛运用，宇宙的大尺度结构的探索已向50亿光年以远的更远处进发。
选好“量天尺”
  不少公众都知道，  “光年”是天文学中一种长度计量单位。在太阳系之外的星际空间，恒星之间的距离，通常以几十、几百、几千光年为计。在银河系之外的星系际空间的距离，近则几百万光年、上千万光年，远则几亿、几十亿光年。人们不禁要问，如此辽阔的距离究竟是如何测量的?
    首先一定要搞明白“光度”和“亮度”这两个内涵不同的词。光度是发光体本身固有的发光本领。例如，一一个100瓦的灯泡，它的光度就是100瓦。亮度则是观测者看上去的明亮程度，与光体的距离有关。100瓦的灯泡，放在距离10米处，看上去很亮；若改放在距离100米处，看上去就暗多了。根据物理知识——亮度和距离的平方成反比，这样，距离远了10倍，亮度暗了100倍。距离1(10米处的100瓦灯泡，看上去亮度只有1瓦。这样，在知道这只灯泡的光度确系100瓦的前提下，再将它置于还能看得见的远处，只需测定它的亮度，就能依据“距离平方的反比”定则，准确推算出远处灯泡的距离。我们可以将巳知光度的灯泡称为一个“标准烛光”。天文学家领悟到可以运用类似的“标准烛光”方法去测定天体之间的距离。然而，在茫茫宇宙中，能够成为“标准烛光”的天体是什么?
探测深空的“量天尺”——Ia型超新星
    现代天体物理学已知，宇宙中发射最强光度的单个天体是超新星爆发；它的光强足以贯穿几十亿、上百亿的辽阔空间；此外，还知道超新星爆发是恒星演化终端走向消亡的一种表现形式。超新星爆发前的前身天体有两类，其一是由两个恒星组成的双星，由于彼此距离近，以至于呈现物质交流，遂称为“密近双星”。当双星中的一个已演化成白矮星，此时如果受到其伴星的物质以股流形式高速投入，这个白矮星则因结构失衡，突然整体爆发毁灭，成为光度超强的超新星。按照分类，它们称为I型。早在30年代，已确认一个稳定的白矮星的质量上限是1．4个太阳质量(此项天体物理成就获得1983年诺贝尔物理学奖)。因此得知，I型超新星的前身是个1．4个太阳质量的白矮星。根据天文学中的质量～光度关系，知道了质量，也就准确地知道了光度。到20世纪末，又进一步得知，I型超新星中有…个次型Ia型，其光度的均匀性更好。这样，天文学家终于获得了新的“标准光源”Ia型超新星，一款适合测量深空距离的“量天尺”。
    深空超新星巡天的重大发现——暗能量
    1994～1995年，2～3个国际科研小组，在天体物理学家珀尔马特、施密特和里斯(如图)等首席科学家的主持下，申请到8～10米级巨型光学望远镜和哈勃空间望远镜的支持，遂启动各自的“深空超新星巡天”探测课题，目标之一即是借助Ia型超新星“量天尺”探究50～60亿光年以远、前人知之甚少的宇宙膨胀动向。超新星是恒星世界罕见的天象，一个正常星系，例如，银河系平均要上千年才有一次超新星爆发，而且还不一定是I型。可是，如果探测和勃定律预期的距离处应有的亮度暗些，如果观测和数据处理均正确无误，合理的解释就该是它们的距离比预期的更远，退行的速度比预期更大。这一现象在50～60亿光年距离更远的大宇宙深空开始呈现，而且距离越远，亮度变暗的程度越大。历经几年的巡天搜索，累积到的深空Ia型超新星爆发样本的总数已达几十个之多。在遥远的深空，宇宙膨胀正在加速的发现已是不容争辩的事实。这大大地超乎预期。不少人曾推测，宇宙物质具有的引力最终会超过宇宙膨胀之力，致使膨胀终止，转为宇宙收缩。因此，当21世纪之初，宇宙膨胀在加速的天文发现公之于世后，震惊了科技界，乃至全社会。人们惊奇地得知，在大宇宙中，除了有与宇宙物质同在的万有引力和来自于“大爆炸”的膨胀之力外，还有一种前所
未知的斥力性质的神秘之力，在50～100亿光年的大宇宙中逐渐显示为最大的主力，姑且称之为“暗能量”。
    更令人称奇的是，根据已取得宇宙膨胀加速的资料和数据推算得知：在宇宙中，对其本原和真相知之甚少的“暗能最”竟占宇宙物质总量的73％。也就是说，人们在此之前竟然对宇宙组成中的3／4全然不知不晓。就此还可推测，如果在今后深入探究中，宇宙确实按现在已探测到的加速膨胀，再过上千亿年，那时，一切核聚变的产能活动全都将息止，物质密度小到接近“真空”，我们宇宙的命运将是“寂静”、“寒冷”和“无”。
    如今“暗能量”已成为物理学界的一个关注热点和议题，必然会推动和影响今后宇宙学，乃至物理学的发展和进步。可以认为，“宇宙膨胀的加速”和“暗能量”的发现是继“宇宙膨胀”和“膨胀的宇宙”确认之后，迄今又一可与之并论的最重大天文贡献。发现“宇宙膨胀正在加速”的三位首席天体物理学家共同被授予2011年诺贝尔物理学奖，以表彰“深空超新星巡天”科研课题取得的成就，当在意料之中。

孤独的Z时代

很好