布萊恩施密特(Brian+Schmidt)

我們的宇宙正在加速膨脹，1000億年以后，除了我們所在的銀河系，所有星系都將消散，人們看到的宇宙將空無一物宇宙的形成和演變

宇宙是由空間、時(shí)間、物質(zhì)和能量所構(gòu)成的統(tǒng)一。隨著文明的進(jìn)步和科技的發(fā)展，我們對宇宙的認(rèn)識也慢慢地步入了正軌，至少得到了部分的證實(shí)。公元2世紀(jì)，托勒密提出了一個(gè)完整的地心說；1543年，哥白尼提出了日心說；1609年，開普勒發(fā)展了日心說，伽利略則用望遠(yuǎn)鏡從事實(shí)的角度證實(shí)了其正確性。

宇宙是一個(gè)有層次結(jié)構(gòu)的、物質(zhì)形態(tài)多樣性的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)，這是當(dāng)代天文學(xué)的研究成果。關(guān)于宇宙的形成，首先映入腦海的肯定是大爆炸理論：大爆炸模型認(rèn)為，最初的宇宙是超高溫、高密度的一點(diǎn)。大約180億年前，這一點(diǎn)突然爆炸了，僅用了10—36秒，這一點(diǎn)進(jìn)行了幾十個(gè)數(shù)量級的膨脹。形成了一厘米規(guī)模的宇宙，之后經(jīng)過漫長的演變，形成了今天的宇宙。而愛因斯坦廣義相對論也預(yù)言了：空間——時(shí)間在大爆炸奇點(diǎn)處開始，并在大擠壓奇點(diǎn)處或在黑洞中的一個(gè)奇點(diǎn)中結(jié)束。

大爆炸理論也驗(yàn)證了我們思想家的直覺，正如柏拉圖的“從一發(fā)散”以及《道德經(jīng)》中“一生二，二生三，三生萬物”的觀點(diǎn)，宇宙大爆炸伊始，只有能量，而這里的“一”便是能量。

關(guān)于宇宙加速膨脹

科學(xué)家哈勃在1929年測試到宇宙在膨脹。他是通過衡量星系之間的距離以及這些星系以多快的速度在離我們遠(yuǎn)去而得出這一結(jié)論的。今天，科學(xué)家也在衡量這些距離，研究超新星。他們做的實(shí)驗(yàn)和哈勃從事的是一樣的，但是，他們測量的是非常遙遠(yuǎn)的星體。因?yàn)槭穷愃频膶?shí)驗(yàn)，他們在比較現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)了宇宙的膨脹在加速。

此前，天體物理學(xué)家曾經(jīng)普遍認(rèn)為，引力會使宇宙的膨脹速度逐漸減緩。但在1998年，我所帶領(lǐng)的高紅移超新星搜索隊(duì)與超新星宇宙學(xué)計(jì)劃這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，分別發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的速度并非如預(yù)期一樣減緩或是停滯，而是正在加速。我們本來以為，自己會發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在減速的跡象，這種減速將決定宇宙會終結(jié)于烈火還是寒冰。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了完全相反的事實(shí)——宇宙膨脹正在加速。

科學(xué)家們說，宇宙還會繼續(xù)加速膨脹，至少現(xiàn)在人類還沒有任何方式可以阻止這一趨勢。宇宙越膨脹，暗能量越多，暗能量將和宇宙一起并跑，這樣宇宙膨脹會越來越快，以至于使得光子無法從星系抵達(dá)地球，我們在遙遠(yuǎn)的未來再看宇宙時(shí)，它完全是空的。因?yàn)槲覀兡軌蚩吹玫降亩家呀?jīng)膨脹了，光的速度已無力可追及。

為了解釋這個(gè)令人困惑的現(xiàn)象，天文學(xué)家導(dǎo)入了“暗能量”概念。這種未知形式的能量可以抵抗重力并讓宇宙加速膨脹。除非暗能量突然消失，否則宇宙將繼續(xù)越來越快地膨脹下去，最終走向消散。1000億年后，如果人類還存在的話，將會比現(xiàn)在更加孤獨(dú)。到時(shí)，我們的銀河系還會在，并且和一些附近的星系合并，但是其他所有我們今天能看到的宇宙天體都會離我們太遠(yuǎn)而無法觀測到。也就是說，除了我們自身所在的星系，所有的星系都將消失。

研究的測量方法

我們原本是想測量到宇宙減速膨脹，試圖測量出宇宙膨脹的速度是如何減慢的。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(yuǎn)的恒星定位，并測量它們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)。然而，說起來容易做起來難。自漢麗埃塔勒維特發(fā)現(xiàn)造父變星的秘密以來，天文學(xué)家在越來越遠(yuǎn)的距離上找到了許多其他的造父變星。但在天文學(xué)家所要測量的距離上，即數(shù)十億光年以外，造父變星已經(jīng)無法看見。宇宙標(biāo)尺必須延長才行。

超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的標(biāo)準(zhǔn)燭光。地面和太空中越來越先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，以及越來越強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在20世紀(jì)90年代開啟了全新的可能性，讓我們有能力為宇宙學(xué)拼圖填上更多空缺的內(nèi)容。

這條研究道路上存在太多潛在的陷阱，事實(shí)上令這些科學(xué)家能夠放下心來的原因在于我們得出了驚人但卻相同的結(jié)果：總的來說，我們發(fā)現(xiàn)了大約50顆遙遠(yuǎn)的超新星，它們的星光似乎比預(yù)期的要暗。通常認(rèn)為，這些正在爆炸的星體具有相同的發(fā)光度，通過測定發(fā)光度可以推算出這些超新星的距離。但研究結(jié)果出乎預(yù)料，這些超新星的發(fā)光度要小于按照原先給定的宇宙膨脹速率計(jì)算出的數(shù)值，這說明超新星離地球的距離要比想象的遠(yuǎn)，也說明宇宙在“暗能量”的影響下正在加速膨脹。我們的發(fā)現(xiàn)第一次提出了“暗能量”存在的令人信服的證據(jù)。這一結(jié)果與科學(xué)家事先的預(yù)期完全相反。如果宇宙膨脹越來越慢的話，超新星應(yīng)該顯得更亮才對。然而，隨著超新星被所在星系裹挾著，以越來越快的速度相互遠(yuǎn)離，它們的亮度也會越來越暗。于是我們得出令人意外的結(jié)論：宇宙膨脹非但沒有越來越慢，反而恰恰相反——宇宙膨脹在加速。

宇宙：“暗能量”無所不在

超過50個(gè)遠(yuǎn)距離的超新星所發(fā)出的光芒，比預(yù)想中的弱，這是宇宙加速擴(kuò)張的跡象。加速擴(kuò)張的狀態(tài)據(jù)悉是由于暗能量驅(qū)動(dòng)的，這是宇宙中最大的謎題。宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊(yùn)藏于空間結(jié)構(gòu)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”占據(jù)了宇宙成分的絕大部分，含量超過70%。今天，我們?nèi)祟愓J(rèn)為我們身邊的世界已經(jīng)很廣大了；但實(shí)際上，我們所生活的空間，可見的物質(zhì)和原子，在宇宙中僅占4.5%。我們生活的地球，也只是銀河系中一顆小小的星星，在銀河系中，有上兆以上這樣的星星，而在這些之外是更加廣闊的空間，這些空間是由“暗能量”和“暗物質(zhì)”構(gòu)成的。

“暗能量”是什么？科學(xué)家們最好的一種猜想是：它們是宇宙本身的一部分?？茖W(xué)家經(jīng)過檢測得出結(jié)論，“暗物質(zhì)”不是一種東西?！鞍滴镔|(zhì)”有它本身的重力，就像原子一樣，由于各種原因，它們不和其他物質(zhì)相互影響，它們在穿越地球時(shí)就像在旅行?？茖W(xué)家們懷疑它們是一種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子。

“暗能量”和“暗物質(zhì)”沒有明顯的聯(lián)系。目前科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它們最明顯的聯(lián)系是：每一塊暗物質(zhì)中，有三塊暗能量，它們在宇宙中無處不在，非常普遍。我們并不知道暗能量是如何形成的。它好像是宇宙自身結(jié)構(gòu)的一部分：暗能量產(chǎn)生更多的宇宙空間，更多的宇宙空間又產(chǎn)生了更多的暗能量，更多的暗能量又產(chǎn)生更多的宇宙空間。宇宙就是因?yàn)樗纳⑾А?/p>

不管暗能量是什么，它似乎都會繼續(xù)長期存在下去。它與物理學(xué)家和天文學(xué)家研究了很長時(shí)間的宇宙學(xué)謎題符合得非常完美。按照現(xiàn)在公認(rèn)的觀點(diǎn)，宇宙大約有3/4由暗能量構(gòu)成。剩余的是物質(zhì)。但普通物質(zhì)，也就是構(gòu)成星系、恒星、人類和花花草草的東西，只占宇宙成分的5%。其他物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)，至今仍在跟我們“躲貓貓”。

暗物質(zhì)是宇宙中另一個(gè)迄今未解的謎題。與暗能量一樣，暗物質(zhì)也是不可見的。對于這兩樣?xùn)|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。

人在宇宙中的地位

銀河系不是宇宙的中心，太陽系不是銀河系的中心，地球不是太陽系的中心，而人類只不過是宇宙中無足輕重的塵埃。這些都是科學(xué)真理，是生活在地球上的人類探索出來的。好奇是人類的天性，理解是一種樂趣，知識是生存的先決條件。只有那些敢于探索宇宙真面目的人，才能洞察宇宙的奧秘。人類的未來取決于我們對宇宙的了解程度，努力吧！

（作者為澳大利亞國立大學(xué)校長，2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。本文根據(jù)布萊恩施密特在北京大學(xué)的講座整理，經(jīng)本人授權(quán)發(fā)表）