震动宇宙学理论基础的成就 2011年诺贝尔物理学奖

伤我心太深

2011年诺贝尔物理学奖于北京时间10月4日揭晓，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·里斯摘得桂冠。瑞典皇家科学院称，授予这三人奖项的原因是他们在天体物理学方面的卓越研究成果——通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀。
瑞典皇家科学院院士评价道，此三人的研究“为人类从整体上研究宇宙提供了新视角，堪称宇宙探索道路上的里程碑”。
“觊觎”星空之人
有些科学家的工作，永远地改变了人们对事物的看法，譬如本届诺贝尔物理奖的三位得主。
索尔·珀尔马特与布赖恩·施密特分别于1988年和1994年开始领导各自的团队从事超新星研究工作，而亚当·里斯乃是施密特团队中的一个重要人物。这两支研究团队不约而同地将观察目标锁定在“Ia型超新星”这种由密度极高、体积极小的白矮星爆炸而成的超新星身上。
超新星爆发，其实就是一颗大质量恒星以轰动的方式走向死亡的过程。而“Ia型超新星”的特性在于，爆发时每颗质量都一致，辐射出的能量和射3线强度也一致，因此在地球上观测“Ia型超新星”亮度的变化，就可以准确推算出它们和地球距离的变化，并据此计算出宇宙膨胀的速度。
这是两支团队进行研究主要原理。不过，用超新星作为衡量标准，有着一系列的挑战：超新星爆发并不频繁，一个星系平均一百年才有一次；而要在浩瀚宇宙中寻找一个遥远微小的超新星光亮，需要对比同一片天域在不同且特定的日期拍下的照片，其中小小光点的差别，就有可能成为一颗超新星的标志；这之后，还需排查干扰项、测量红移和亮度、加入对亮度衰减的考虑以及修正关于这颗超新星的结果；而在不可预测的部分，还包括杳杳暗夜中那颗变暗速度极快的超新星，以及各种观测设备与它的配合。正是以上种种，使得很多人对超新星研究领域持有一种悲观的论调。
不过，成功总是格外眷顾着信念坚定之人——借助当时最先进的望远镜、新型数码感光仪、高性能计算机等等设备，两组团队几乎是在同一时间确认“宇宙正在加速膨胀”这一事实，如今，又是在同一时间分享了问鼎诺奖后的那种——如施密特所说的——激动到“两腿膝盖发软”的欣喜。
更令人欣慰的是，研究的成果和嘉奖来得都不算迟。与以往大多数垂垂老矣的诺贝尔奖获得者相比，这三位科学家有着“年富力强”的共同特点：珀尔马特52岁，现任加州大学伯克利分校和劳伦斯·伯克利国家实验室超新星宇宙研究项目主管；施密特44岁，目前在澳大利亚国立大学主持超新星搜寻小组；里斯是他们三人中最年轻的，42岁，现在是美国约翰·霍普金斯大学教授，并在美国太空探测科学研究所任职。
宇宙中，一切皆有可能
1915年爱因斯坦的广义相对论问世后很久，一直都是人们理解宇宙的基础。爱因斯坦自己曾在他的这个方程里加了一个“宇宙学常数”，接着又认为，加上这个宇宙学常数简直大错特错。但是，珀尔马特与施密特、里斯的研究，却最终确认了加上“宇宙学常数”是个多么正确的决定。
上世纪20年代末的天文学家们就知道宇宙是不断扩张的。不过，在1998年，两个天文学家小组（正是珀尔马特与施密特、里斯的那两支）宣称，宇宙不仅在膨胀，还在不断地加速膨胀。这给研究界带来的一场风暴，诚如本届诺贝尔物理学奖评选委员会在10月4日发布的声明中所说的一样，“震动了宇宙学理论基础”。
因为，按照通常的情况，物质受引力的影响应该是越来越慢，而他们发现的超新星和此前的预期不一样，昭示了“加速膨胀”的存在。为了解释这个“不可解释”的情况，科学家引入了“暗能量”的概念：即宇宙当中存在一种我们现在还不清楚的物质形态，其所具有的负压强不同于我们通常的物质正压强，或正是这种负压强导致两个小组观测到的这类星体以越来越快的速度在远离我们。
而这正是诺奖评选委员会在声明中所述的，珀尔马特发现的暗能量的“核心作用”——拉伸空间结构并且导致宇宙加速膨胀。换句话说，加速膨胀的宇宙动力可能来源于暗能量。
目前，对这一点有着比较公认的理论支持：大爆炸后的初期，宇宙先经历了一个急速膨胀阶段。此后，由于暗物质以及物质之间的距离非常接近，在引力作用下，宇宙的膨胀速度开始减慢。然而在至少90亿年前，宇宙中另外一种力量——表现为排斥力量的暗能量出现，并且开始逐步抵消引力作用，并终于超越引力，让宇宙从减速膨胀转变为加速膨胀状态，且一直持续至今。
据此，宇宙的命运则同样令人唏嘘。如果暗能量使宇宙这种扩张持续加速下去，“那么，”诺奖评选委员会指出，“永不停止膨胀的宇宙，终将变成无垠的寒冷荒芜之地。”
可惜，暗能量有影无形，它究竟是个什么，现在依然是巨大谜团。当前阶段，人们仅可以推算其在宇宙万物中的比例约高达73%，呈绝对统治地位，而人类目前所有已知物质，却只占整个宇宙不到4%。
这一结论，让暗能量的出现和探索成为上个世纪天文学不可多得的全新科研领域。同时，也使珀尔马特与施密特、里斯的研究有了非凡的意义——被冠以“可以跟上世纪爱因斯坦的相对论相比拟”的伟大名号。而落到微处，你会发现，由他们开启的宇宙之谜，让无数孩子们期盼着自己也有一台家用天文望远镜，夜夜凝望星空，心系未知。
(科技日报)