写在恒星之中

“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。他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。

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。他们看到的现象，就好比是把一个小球抛向了空中，却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。

[世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸，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。这种加速被认为是由暗能量驱动的，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。]

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”（dark energy）占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。所以难怪，当两个不同的研究团队在1998年公布相似的结果时，宇宙学的根基被撼动了。

索尔•佩尔穆特（Saul Perlmutter）领导着其中一个团队，即1988年启动的“超新星宇宙学项目”（Supernova Cosmology Project）。布莱恩•施密特（Brian Schmidt）领导着另一个团队，即1994年启动的“高红移超新星研究组”（High-z Supernova Search Team）展开竞争，亚当•里斯（Adam Riess）在其中起到了至关重要的作用。

两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星，展开了绘制宇宙“地图”的竞赛。通过确定这些超新星的距离和它们离我们而去的速度，科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。他们本来以为，自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果，他们发现了完全相反的事实——宇宙膨胀正在加速。

[一闪一闪亮晶晶，天上星星在哪里……]

宇宙在膨胀

天文学发现颠覆我们对于宇宙的观点，这已经不是第一次了。就在100年前，人们还认为宇宙是一个宁静的所在，比我们的银河系大不了多少。宇宙学时钟可靠而又稳定地滴答作响，记录着时间的平稳流逝，而宇宙本身则是永恒的，无始无终。但没过多久，一种颠覆性的红移就改变了人们的这种观点。

在20世纪初，美国天文学家汉丽埃塔•斯万•勒维特（Henrietta Swan Leavitt）发现了一种测量遥远恒星距离的方法。当时，女性天文学家没有接触大型望远镜的资格，但她们被天文台雇佣，来从事分析照相底板的繁重工作。汉丽埃塔•勒维特研究了上千颗被称为造父变星（Cepheid）的脉动变星，发现越明亮的造父变星，脉动的周期也越长。利用这样的信息，勒维特能够计算出造父变星自身的亮度。

只要有一颗造父变星的距离是已知的，其他造父变星的距离就可以推算出来——恒星的光显得越暗，它的距离就越远。一种可靠的标准烛光就这样诞生了，直到今天，它们仍是宇宙距离标尺上的第一个标记。利用这些造父变星，天文学家很快就得出结论——银河系只是宇宙中许多星系中普普通通的一个。到了20世纪20年代，美国加利福尼亚威尔逊山上当时世界上最大的望远镜投入了使用，这让天文学家能够证明，几乎所有星系都在远离我们而去。他们研究的是一种叫做“红移”（redshift）的现象，当光源远离我们而去时就会出现。光的波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。天文学家得出的结论是，星系不光在离我们而去，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律（Hubble’s law）。宇宙正在膨胀。

[具有稳定亮度的标准烛光，是测量遥远恒星的距离所必需的。]

宇宙学常数的归去来兮

观测到的宇宙膨胀，在理论计算中其实已经被人提出过了。1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，此后这一直是我们理解宇宙的基础。按照广义相对论，宇宙只能收缩或者膨胀，不可能稳定不变。

这个令人不安的结论，提出的时间比天文学家发现星系远离早了差不多10年。就连爱因斯坦都难以忍受宇宙不可能稳定不变这一事实。因此，为了消灭这种他不想要的宇宙膨胀，爱因斯坦在他的方程里加了一个常数，他称之为“宇宙学常数”（ cosmological constant）。后来，爱因斯坦认为，加上这个宇宙学常数是一个大错误。然而，有了那些完成于1997-1998年、并在今年获得诺贝尔物理学奖的宇宙学观测，我们可以得出这样的结论——爱因斯坦加上宇宙学常数的这一招实在是聪明绝顶，虽然他当年的理由是错的。

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140亿年前的一场大爆炸。时间和空间都起始于那一时刻。从那时起，宇宙就一直在膨胀；星系则像是烤箱中正在膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干，由于宇宙学膨胀而彼此远离。但未来的命运又将如何？

超新星——宇宙新标尺

当爱因斯坦放弃宇宙学常数，转而向非静态宇宙观点投诚时，他把宇宙的几何形状同宇宙的命运联系了起来。宇宙到底是开放的、闭合的，还是介于两者之间——是平坦的呢？

开放的宇宙，指的是物质引力不足以阻止宇宙膨胀。这样的话，所有物质都会在一个越来越大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。闭合的宇宙则刚好相反，引力强大的足以停止甚至逆转宇宙的膨胀。这样的话，宇宙最终会停止膨胀，然后坍缩回来，在一场炽热而剧烈的大挤压（Big Crunch）中终结。然而，大多数宇宙学家都更喜欢生活在一个最简单、数学上也最优雅的宇宙之中——这就是平坦的宇宙，其中的宇宙膨胀会越来越慢。因此，宇宙最终不是会终结于烈火，就是会终结于寒冰。这是我们无法选择的事情。如果存在宇宙学常数，那么膨胀就将持续加速，哪怕宇宙是平坦的。

今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会测量到宇宙减速膨胀，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。然而，说起来容易做起来难。自汉丽埃塔•勒维特发现造父变星的秘密以来，天文学家在越来越远的距离上找到了许多其他的造父变星。但在天文学家所要测量的距离上，即数十亿光年以外，造父变星已经无法看见。宇宙标尺必须延长才行。
超新星，也就是恒星的爆炸，成了新的标准烛光。地面和太空中越来越先进的望远镜，以及越来越强大的计算机，在20世纪90年代开启了全新的可能性，让天文学家有能力为宇宙学拼图填上更多空缺的内容。其中最关键的技术进步，则是光敏数码成像传感器CCD的发明——发明者威廉•波义耳（Willard Boyle）和乔治•史密斯（George Smith）因为这项发明获得了2009年诺贝尔物理学奖。

白矮星爆炸

天文学家工具箱中的最新工具，是一类特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短几星期之内，单单一颗这样的超新星发出的光足以与整个星系相抗衡。这类超新星是白矮星（white dwarf）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。

白矮星是一颗恒星核心处无法提供更多能量时形成的，因为所有的氢和氦都已经在核反应中耗尽了，只剩下了碳和氧。通过同样的方式，在久远的未来，我们的太阳也会变成一颗白矮星，最终变得越来越暗，越来越冷。

如果一颗白矮星处在一个双星系统之中（这是相当常见的），那么就会有更令人激动的结局在等待着它。在这种情况下，白矮星强大的引力会从它的伴星身上抢夺气体。然而，一旦白矮星超过1.4倍太阳质量，它就再也无法维持下去了。此时，白矮星内部会变得足够炽热，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。

[白矮星会通过引力，从它的伴星身上窃取气体]

[当白矮星超过1.4倍太阳质量，它就会爆炸，变成一颗Ia型超新星。]

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。因此，发现这些超新星必须要快，因为它们剧烈的爆发相当短暂。在整个可观测宇宙之中，平均每分钟大约爆发10颗Ia型超新星。但宇宙实在太过巨大。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，我们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。但大多数超新星离我们要遥远得多，因而也暗淡得多。那么，面对这么大一片天空，我们究竟应该在什么时间往哪里看呢？

令人震惊的结论

两个相互竞争的研究团队都知道，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，即CCD图像中的一个像素——这有可能就是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。只有距离超过可观测宇宙半径1/3的超新星才是可用的，这样做是为了消除近距离星系自身运动而带来的干扰。

研究人员还有许多其他难题需要应对。Ia型超新星似乎并不像人们一开始认为的那样可靠——最明亮的超新星爆发亮度衰减的速度要更慢一些。此外，超新星的亮度还必须扣除它们所在星系的背景亮度。另一个重要任务是获得修正亮度。我们和那些恒星之间的星系际尘埃会改变星光。在计算超新星最大亮度时，这些因素对结果都会有影响。

追踪超新星挑战的不只是科学和技术的极限，更是统筹安排的极限。首先，正确类型的超新星必须要被找到。其次，它的红移和亮度必须要被测量出来。亮度随时间变化的光变曲线必须接受分析，以便能够将它与其他类型相同、距离已知的超新星作比较。这就要求科学家构成的工作网络能够迅速判断某一颗恒星是否值得列入候选进行观测。他们必须能够在不同的望远镜之间切换，毫无延迟地获得一台望远镜的观测时间，而申请观测时间的过程通常需要花上几个月时间。他们还必须迅速行动，因为超新星很快就会变暗。有时候，这两个相互竞争的研究团队还会悄悄“撞车”。

[超新星1995ar。间隔3个星期拍摄的同一小块天区的照片，放在一起加以比对。在第2张照片，出现了一个小小的光点！在对它的光变曲线进行进一步观测之后，它被认为是一颗Ia型超新星。典型的Ia型超新星能够发出与整个星系相当的光。所有的Ia型超新星光变曲线都是相同的。大多数光会在最初几星期内释放出来（见右下侧图表）。]

这条研究道路上存在太多潜在的陷阱，事实上令这些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。

从现在到永恒

那么，是什么在加速宇宙膨胀呢？这种神秘力量被称为暗能量，它向物理学提出了一大挑战，至今无人能够破解这一谜题。科学家已经提出了若干想法。最简单的办法，就是重新引入爱因斯坦一度放弃的宇宙学常数。当年爱因斯坦加入宇宙学常数的目的，是为了引入一种能够与物质之间的引力相抗衡的斥力，从而创造出一个静态的宇宙。如今，宇宙学常数却似乎在加速宇宙的膨胀。

宇宙学常数当然是个常数，是一个不随时间变化的参数。因此，随着物质在宇宙几十亿年来的膨胀过程中逐渐被稀释，物质的引力也会越来越弱，暗能量就会逐渐占据上风。按照科学家的说法，这可以解释为什么宇宙学常数直到宇宙历史中相当晚的一个时期，也就是五六十亿年前，才逐渐开始发挥作用。大约在那一时期，物质的引力减到了比宇宙学常数还弱的地步。而在那一时期之前，宇宙的膨胀确实是一直在减速。

宇宙学常数可能源自于真空，按照量子物理学的观点，真空从来就没有真的空过。相反，真空是一锅不断翻滚的量子汤，正反物质的虚粒子不断产生又不断消失，从而产生出能量。然而，对暗能量数量最简单的估算，与空间中测量到的暗能量数量却完全不符，足足大了大约10^120倍（1后面跟120个零）。这成了横亘在理论与观测之间的一条至今无解的巨大鸿沟——要知道，地球上所有海滩上的沙粒加在一起，也不过只有10^20（1后面跟20个零）。

也许，暗能量根本就不是常数。或许它会随时间变化。或许一种未知的力场只是偶尔产生了暗能量。在物理学上，许多这样的力场被统称为“精质”（quintessence），得名于希腊文的“第五元素”。精质可以加速宇宙膨胀，但只是有时候如此。这样一来，预言宇宙最终命运就成了一件不可能完成的事情。

[宇宙加速膨胀在1998年12月被《科学》杂志评为“年度科学突破”。在那期《科学》杂志的封面上，爱因斯坦注视着他的宇宙学常数，这个参数又回到了宇宙学的研究前沿。]

不管暗能量是什么，它似乎都会继续长期存在下去。它与物理学家和天文学家研究了很长时间的宇宙学谜题符合得非常完美。按照现在公认的观点，宇宙大约有3/4由暗能量构成。剩余的是物质。但普通物质，也就是构成星系、恒星、人类和花花草草的东西，只占宇宙成分的5%。其他物质被称为暗物质，至今仍在跟我们“躲猫猫”。

暗物质是我们大都未知的宇宙中另一个迄今未解的谜题。与暗能量一样，暗物质也是不可见的。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。名字前面那个“暗”字，是它们唯一的共同点。

因此，2011年诺贝尔物理学奖的发现，向科学界揭露了一个95%的成分仍然未知的宇宙。现在，一切又皆有可能了。

[这项发现暗示，宇宙有3/4是一种未知的能量，被称为暗能量。与同样未知的暗物质一样，这些“暗势力”构成了宇宙的95%。只有余下的5%是普通物质，它们构成了星系、恒星、花花草草，以及我们人类。]

本文编译自诺贝尔官方网站发布的2011年诺贝尔物理学奖面向公众的新闻稿（PDF） ,已发表于 果壳网 趣科技小组 《解读2011年诺贝尔奖】物理学奖：宇宙加速膨胀完整图文解读》

作者：陈学雷（国家天文台研究员、宇宙暗物质暗能量组首席研究员）

今年的诺贝尔物理奖授予了三位在发现宇宙加速膨胀的研究中做出杰出贡献的学者：Perlmutter, Schmidt和Riess. 应该说，由于这项工作无可争辩的巨大重要性，几年来他们一直是获奖的热门人选。但是，导致宇宙加速膨胀的暗能量是什么仍是一个未解决的问题，而相关的许多理论和观测还处在研究的前沿，存在许多疑问和争论，诺贝尔奖评委会素有稳重、保守的传统，所以我原以为他们还要再过若干年才会获奖。因此，作为一名宇宙学研究者，我为他们今年获得这项殊荣感到非常高兴。

Perlmutter, Schmidt 和 Riess 是因为对超新星的研究而获奖的。超新星的概念是1934年由茨维基和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度，巴德和茨维基也观测到了一些超新星。后来发现，其实有两种不同的超新星， 一种是茨维基最早提出的核塌缩超新星，另一种其爆炸机理不同，现在一般认为是白矮星（质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星）从其伴星中吸积物质，到一定程度后发生核爆炸。有趣的是，茨维基和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型，被称为Ia型超新星。

[图1：超新星遗迹Cas A.]

由于超新星很亮，可以在宇宙中很远的地方看到，因此可用来研究宇宙学。特别是，白矮星有一个质量上限，称为钱德拉塞卡质量，大约是1.4个太阳质量，白矮星发生超新星爆炸时大多都比较接近这个质量。既然这时白矮星的质量都差不多，就有理由认为，其爆炸时的亮度可能也差不多。这样，Ia型超新星就有可能作为“标准烛光”来使用：假定所有超新星的“绝对亮度”也就是本身的亮度相等，那么根据观测到的一颗Ia超新星的视亮度，就可以推测它到我们的距离。另一方面，我们还可以观测到这些超新星的光谱，从中测出超新星的“红移”。比如，一条原来在615纳米的谱线，经过红移后变为1230纳米，那么我们就说这个超新星的红移z=1,因为观测到的谱线长度是原来的(1+z)倍。如果我们把测到的超新星的红移和距离一一对应起来，我们就可以画出所谓哈勃图，不同的宇宙学模型的哈勃图是不一样的，因此用这种办法，可以测出宇宙到底是什么样的。

[图2：这是Perlmutter 等人1998年发表的超新星哈勃图，横坐标是红移，上面一图的纵坐标是星等（越暗星等越大），几条曲线是不同宇宙学理论的预言。下面图则是与理论的偏离。]

尽管上面叙述的这种办法原则上讲很简单，但实际做起来并不容易。首先是要发现超新星。尽管我们上面说超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一点。下面的图演示了一个超新星的发现图像：你可以看到，它非常微弱而不起眼，经过两次放大之后也并不容易在图像上看出来。发现它的办法是，把两个同一天区但在不同时刻拍摄的照片叠放在一起，用后一张减去前一张，从二者之差发现可能变亮的候选目标。这样找到的候选者还不都是超新星，还有一些别的东西，比如星系中心的活动星系核有时会变亮，太阳系中的小行星有时会正好飞到这里，等等。在进一步观测排除这些其它东西后，才能找到超新星。这进一步的观测包括用多次不同时刻的观测得到超新星亮度随时间变化的曲线（光变曲线），以及拍摄超新星的光谱以测定红移。光谱观测比照相观测更难，往往需要更大的望远镜，而且需要在超新星最终变暗以前进行。

[图3：SCP组演示如何通过比较法找超新星的图]

1980年代中期，一些丹麦的天文学家开始试图寻找这些宇宙中的遥远超新星，经过长达2年的搜索，他们才找到了第1颗超新星，后来他们又发现了一颗，但终因发现的过少而放弃了。由于很难发现超新星，再加上对超新星是否真是“标准烛光”持怀疑态度，许多天文学家当时对这类研究抱悲观态度。

也是在这一时期，劳伦斯伯克利实验室(LBL)的一组物理学家开始对搜寻超新星产生了兴趣。这一小组的传奇的创始人Luis Alvarez兴趣广泛。他本人因为高能物理实验（气泡室）方面的工作获得诺贝尔奖，但他更为公众所知是因为提出小行星撞击地球导致恐龙灭绝的理论。这一小组中的Carl Pennypacker 和Rich Muller开始进行超新星研究，发展了一套在图像中自动搜索超新星候选者的软件。他们利用澳大利亚的3.9米望远镜进行了一段时间的搜寻，但是一开始他们失败了，并未找到任何超新星。后来，Pennypacker 转而从事科普，而Rich Muller 本人受Alvarez关于恐龙灭绝研究的影响，转向研究气候变化和全球变暖问题——其实他关于超新星搜寻的工作也是与寻找“复仇之星”（Nemesis)相结合的。古生物学家发现历史上的生物大规模灭绝存在周期性，Muller 认为可能是由于太阳有一颗红矮星或褐矮星伴星即复仇之星，当它沿周期轨道接近太阳时，其对小行星轨道的扰动就容易导致小行星撞击地球。 Muller 的弟子Perlmutter的研究一开始就是寻找这颗复仇之星。后来，Perlmutter接掌了超新星项目。有趣的是，尽管Rich Muller本人在宇宙学领域工作的时间不长就离开了，但他有两个弟子后来因为宇宙学研究得到了诺贝尔奖：研究CMB的George Smoot 2006年获奖，Perlmutter今年获奖。

Perlmutter 接掌这项工作正是在项目最困难的时期：他们未取得任何成果，连一颗超新星都没能发现，而与澳大利亚人的合作也到期结束了。这一项目是否还能进行下去？伯克利以及美国的资助机构在认真的评估后决定继续予以资助。Perlmutter工作专注，被认为是可以挽救这一项目的人选。他们还是得到了经费，造了一台CCD相机安放在西班牙加纳利群岛的一台望远镜上，作为交换他们可以使用这一望远镜进行超新星搜索。Perlmutter也很努力，为了对发现的候选超新星进行后续观测，Perlmutter 会给全世界各处天文台的望远镜打电话，恳求正在使用望远镜的人帮助他进行观测。

早期超新星研究的一大困难在于如何保证找到超新星并拍摄到其光谱。这里除了技术上的困难外，还有获得望远镜观测时间的困难。现代的天文望远镜都是由许多天文学家共用的。一位或一组天文学家要用望远镜，需要写一份建议书，说明自己的科学目标和观测方法，经过同行评议后，由望远镜时间分配委员会根据评议结果决定分配多少时间。这样，大型望远镜的观测时间表一般早就提前一年或半年定下来了。而在发现超新星之前，人们很难预先申请到这些观测时间，发现超新星后往往只好临时借用别人的观测时间进行后续观测，这很难保证获得大量数据。Perlmutter 发展了一套“批处理”的方法：他们每隔一个月，用观测条件最好的无月夜拍摄大片的星空，并立即与以往的观测进行比较，找出可能的超新星候选者，这样第2天他们就可以获得一批超新星候选者样本，然后再用Keck 10米望远镜等大望远镜进行后续光谱观测。恰好超新星的光变周期是几个月，因此这一方法非常有效。由于一次可以得到多个超新星候选者，也就可以申请到大望远镜的观测时间。用这种办法，Perlmutter领导的研究小组（称为超新星宇宙学计划Supernova Cosmology Project, SCP)开始发现大量的超新星。

伯克利的SCP小组由物理学家组成，他们一开始对于超新星天文学中的许多困难并不完全了解，“无知者无畏”可能是他们在大多数天文学家对超新星观测感到悲观时勇于进行这项研究的部分原因。然而，随着他们逐渐接近成功，天文学家们也开始看到希望并准备参加竞争。哈佛大学的Bob Kirshner （Adam Riess的导师）等人也想进行超新星观测，但问题是，SCP小组曾花费几年时间才研制出自动化超新星搜寻软件，别人能否在短期内研制出这样的软件呢？如果没有，要进行竞争是困难的。Brian Schmidt 只用了一个月就开发出了这样一套软件，他没有象SCP小组那样完全新写一套软件，而是通过组合一些现成的天文软件而实现了这一目标。这样，由Kirshner, Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人组成的High-z 小组以出人意料的高速加入了竞争的行列。

现在找超新星的问题解决了，但Ia型超新星是否真是标准烛光呢？遗憾的是，并非完全如此。渐渐地人们发现Ia型彼此并非完全相同，有的超新星光度的变化速度更快一些，有些则更慢一些。不过，Mark Philips 通过研究发现，那些绝对亮度更大的超新星，其变化速度也往往更慢。因此利用光变曲线可以修正超新星绝对亮度的变化。

此外，对于实际观测的超新星，还需要考虑好几个其它问题。星际空间存在着尘埃，这些尘埃会吸收光子，使超新星变暗。好在这一效应还是可以修正补偿的。尘埃吸收除了使目标变暗外，还会更多吸收蓝光而导致目标变红，因此根据其变红的程度进行修正。问题是，每颗超新星其本身的颜色其实也并不完全相同。最后，即使本身光谱完全相同的超新星，当它位于不同红移时，用给定波长的滤光片组进行观测时，得到的颜色也是不一样的，还需要对这一效应进行改正。好在这几个效应虽然复杂，但有规律可循。哈佛大学的研究生Adam Riess 发展了一套数学方法，他发现，利用多个滤光片拍摄的光变曲线数据，经过改正后，Ia型超新星还是可以作为近似的标准烛光的，因此用Ia型超新星进行宇宙学研究是有希望的。实际上，即使到了今天，人们也还是不完全理解为什么Ia型超新星经过修正后可以作为这么好的标准烛光。人们很容易想到各种因素，使得Ia型超新星偏离标准烛光，这也是一开始很多天文学家对超新星宇宙学感到悲观的原因。然而数据显示Ia型超新星经过修正后确实还是不错的标准烛光，这是大自然给我们的一个惊喜。当然，研究者们仍在探究这其中的原因。

SCP和High-z这两个小组的竞争非常激烈。到了1997年下半年，他们开始发现，高红移的超新星比他们原来预期的要暗。根据哈勃图，这表明宇宙的膨胀在加速而不是减速。这是否是由于观测或数据处理上的错误造成的呢？或者，尘埃吸收等因素考虑得不够周全？经过反复检查，1998年1月，两个小组几乎同时公布了自己的观测结果，SCP组有42颗超新星数据，High-z 组只有16颗超新星数据，但每颗的误差要小一些。总之，他们一致的结论是宇宙的膨胀在加速。这一结果轰动了世界。

按照广义相对论理论，如果宇宙由一般的“物质”（包括所谓“暗物质”）组成，其膨胀会逐渐减速，这是万有引力的作用。那么如何解释观测到的宇宙膨胀加速呢？目前主流的解释是引入“暗能量”的概念。暗能量(dark energy)一词是美国宇宙学家Mike Turner 引入的。它实际上也是物质的一种形式，但具有很奇特的性质。比如，它的有效“压强”小于0，这些压强项使时空的弯曲与一般物质造成的时空弯曲相反，因此可以理解成是与万有引力相对的“斥力”，可以导致宇宙加速膨胀。根据现在对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的拟合表明，宇宙中大约百分之七十五左右是暗能量，此外还有百分之二十一左右是不发光的暗物质，而我们熟悉的普通物质仅占百分之四多一点。

[图4：宇宙的组分]

也有人认为不需要引入新的物质形式“暗能量”，而是万有引力的规律与我们一般所假定的广义相对论理论有所不同造成。不过，这种修改引力理论往往比暗能量理论更为复杂。广义地说，这也可以算暗能量模型。

还有少数学者怀疑超新星的观测或数据分析有错误，宇宙并未加速膨胀。但是，13年来人们又观测了许多超新星，目前总数有几百颗，对其分析也更加深入，虽然还存在很多疑点（比如Ia型超新星爆炸的机理到底是什么？），但数据本身经过许多不同的天文学家用不同方法的分析，迄今并未发现大问题。其次，有人曾提出Ia型超新星的光在传播中会由于与一种被称为“轴子”的假想粒子的相互作用而变暗，导致其被误认为是宇宙加速膨胀。但是，这种假设与观测的拟合并不好。特别是，有的高红移超新星测量结果表明，宇宙的膨胀并非一直加速，而是先减速再加速，这用上述假说不容易解释，而却正是暗能量理论的预言。

暗能量的存在也有一些其它方面的证据。例如，早在SCP和High-z 小组公布他们的超新星观测之前，有一些科学家（例如Turner & Krauss, Ostriker & Steinhardt等）根据宇宙年龄、物质密度和功率谱等因素考虑，就认为宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景辐射、重子声波振荡等其它观测也支持宇宙中存在暗能量的理论。目前，也有少部分观测，例如强引力透镜的数量，与根据暗能量理论做出的预言符合得不好，但这些观测目前其可靠性本身是比较低的，因此暗能量是为大多数人所接收的模型。

宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现，因此其发现者获得诺贝尔奖也是意料之中的。但是，暗能量的本质仍是一个还未解决的问题。对这一问题的研究，也很可能是未来基础物理学发展的突破口。国外有许多计划中的实验项目，而我国目前除了提出多种暗能量的理论模型外，一些天文学家也结合我国实际，提出了一些未来的暗能量实验观测计划。例如，在南极冰穹A(那里的观测条件好）建造大型光学望远镜，在我国天宫空间站上装设光学望远镜，在南美建造大型的光谱巡天望远镜等，以及参与一些国外重大实验项目的合作。笔者本人目前也正在推动开展“天籁计划”研究，这是一项在国内地面进行的实验，研制专用射电望远镜阵列进行巡天观测，利用宇宙大尺度结构中的重子声波振荡特征精密研究暗能量的性质。希望未来我国在这一方面的研究中也能做出重大的发现。

从今年获诺贝尔物理奖的研究工作中，我们能受到什么启发呢？我觉得，Schmidt 和 Riess 等人能够凭借自己的研究积累，抓住战机，在激烈的竞争中一举冲入研究的最前沿，其能力和敏锐令人钦佩。但更值得思索和借鉴的是Perlmutter等人的顽强坚持。作为研究者，要有信心和勇气在困难时坚持下去，正是这种信心和勇气，使Perlmutter等人在人们大多对超新星宇宙学感到悲观时能够坚持下去。而美国的资助机构能够宽容失败，看出这一项目的科学价值和团队人员的能力，保持对这一项目的资助，也是非常有眼光的。有重大创新的科研常常有很大的风险，很难保证完全实现计划的成果。这时应该怎么办？我国现在口头上也常常说支持探索、宽容失败，但实际上有风险的研究计划很难得到支持，更不用提对失败的理解和宽容了。这恐怕是我们所应该深思的。

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原创：smbc
汉化：ent

黑洞碰撞可能会发生多次，每一次碰撞的中心都会几乎精确地位于宇宙微波背景上的同一个点，即使它们发生于不同的“世代”。这些碰撞事件所释放的的巨大能量将表现为宇宙微波背景辐射中圆环状、低差异性的爆发。

一般来说，如果一个人问宇宙在大爆炸发生前是什么样的，这将不会被科学家们认为是一个“科学的”问题。因为严格意义上说，根据大爆炸理论，时间本身便产生于大爆炸的那一瞬间，而在此之前是不存在时间的概念的，也就无所谓“以前”了。但现在，这一问题有了新的进展：英国牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和亚美尼亚埃里温物理研究院的瓦赫·古萨德扬(Vahe Gurzadyan)近期在宇宙微波背景辐射(CMB)中发现了一种效应，从而允许他们得以一窥大爆炸之间的情景。

宇宙微波背景辐射(CMB)存在于整个宇宙，科学家们认为这是宇宙在年龄仅为约30万年时遗留下来的。上世纪90年代早期，科学家们发现了宇宙微波背景辐射的温度具有各向异性，即温度在10万分之一尺度上存在波动。这一尺度的波动提供了有关大爆炸理论的最有力观测证据，这些看似微小的波动形成了今天我们所处宇宙的大尺度结构。尤其重要的是，由于大爆炸之后一瞬间产生的暴涨，这种波动被认为是随机的，而这将导致宇宙中的辐射呈现各向同性(几乎均匀)的分布。

然而，彭罗斯和古萨德扬此次发现了背景辐射中存在的一种同心圆环结构，在这一结构中温度的变化远低于理论值，这一结果暗示宇宙微波背景辐射值的各向异性可能并不完全是随机的。科学家们认为这些圆环结构可能来自超大质量黑洞碰撞产生的强大，并且大部分显示各向同性的能量爆发。这样的爆发具备相比常规温变强大的多的能量。但这一解释怪诞的一点在于，根据计算这种圆环结构必定产生于大爆炸发生之前。

这一发现并非是对大爆炸理论的否定，相反，它支持这样一种观点，即大爆炸可能发生过很多次。科学家们解释说，CMB中圆环结构的发现支持这样一种可能性，即我们生活于一个“循环”的宇宙中——当我们的宇宙终结，标志着一个“世代”(aeon)的结束。但是它会立即引发一次大爆炸，从而产生一个新的“世代”，也就是一个新的宇宙，这样永恒循环。此次发现的圆环结构可能就是我们之前的一次那个宇宙中遗留下来的痕迹。

过去，彭罗斯曾经考虑过循环宇宙模型的可能性，因为他注意到另一个更加为人广为接受的理论：宇宙暴涨理论中的一个缺陷，即：它无法解释为何在宇宙开始之初会具有如此低的熵值。低熵状态(即高度有序状态)是形成复杂物质的前提条件。而循环宇宙模型的基本观点是：当一个宇宙膨胀到最大，黑洞将发生蒸发，而它们内部吞噬储藏的一切信息也将随之消失，从而从宇宙中带走熵。如此，一个新的，低熵的宇宙便可能产生。

由于这些微弱圆环结构的革命性意义，科学家们将对其进行进一步研究以便确认其存在，并随之找到最能符合观测结果的模型解释。彭罗斯和古萨德扬是借助美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)和“飞镖”球载望远镜(BOOMERanG98)实验取得的数据发现了这一结构的。到目前为止，他们已经排除了由于设备误差导致观测失误的可能性。但即便这一圆环结构最后被证实果真是大爆炸之前的遗迹，循环宇宙的想法可能也未必是最完美的模型解释。比如，循环宇宙模型必须解 释在不同的“世代”之间变化时如何实现如此巨大时空尺度的变化，以及为何这一模型要求所有粒子在未来的某一时刻失去其质量。

来源：physorg网站11月23日报道、《环球科学》网站11月24日报道

Sheldon审稿

悬停标签：I call Rule 34 on Wolfram's Rule 34. （囧……）

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NP完全

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悬停标签：给出通解能得50%的小费。

汉化：Ent

菜单翻译：小菊

菜单内容：---开胃菜--- 水果拼盘 炸薯条 配菜沙拉 辣鸡翅 炸芝士条 综合拼盘 ---三明治--- 烤肉三明治

博士是什么？

最后这篇来自美国犹他大学的助理教授Matt Might，原址在这里。汉化：阮一峰

译者注解：

美国犹他大学的助理教授Matt Might，用这组图解释，博士学位到底是什么意思。他说，每年都有新生的入学教育，但是有些观点语言说不清楚，不如画图。

我觉得，这组图真的很好懂，而且一点没错，博士就应该是图中的意思。老子说"大道至简"，可是真的要很简单地表达出来，却是非常难的一件事。

英国杜伦大学物理系的最新研究表明，人们传统的对宇宙内物质总量的认识很有可能是错误的。研究生乌特恩·萨旺维特和教授汤姆·尚克斯认真分析了威尔金森宇宙微波辐射各向异性探测器（WMAP）对大爆炸残留热量的观测结果，并从中找到了一些能表明其误差远远大于人们所预计的结果的证据。因此，现在的标准宇宙模型也很有可能是错误的。

这一研究小组将他们的研究成果发表在了《皇家天文学会月刊通报》上。

WMAP于2001年被送入太空，用来测量宇宙微波背景（CMB，即充满整个天空的大爆炸残留热量）辐射的差异。宇宙微波背景起伏的张角大小被认为与宇宙的结构有关，WMAP的观测结果表明，起伏大约是满月的两倍大，或者说一度大。

因此，天文学家们认为，宇宙的4%由普通物质组成，22%由暗物质组成，剩下的74%是暗能量。但宇宙的阴暗面（暗物质、暗能量）的本质究竟是什么，各方争论至今。

萨旺维特和尚克斯利用在射电望远镜上显示为一个不清晰的点的天体测试了WMAP处理辐射的方式，结果他们发现，处理中消去的部分远大于预期。这一结果表明宇宙微波背景辐射的起伏的实际大小并不像人们想象的那样。如果他们的想法是正确的，那么实际的起伏要比过去认为的小，而这又暗示了暗物质和暗能量并不存在。

尚克斯教授表示，对宇宙微波背景的观测确实是一个研究宇宙学的有力工具，而了解其中的系统效应是至关重要的，如果我们的结果被证明是正确的，那么暗能量和奇异的暗物质粒子充满我们的宇宙的学说可能性就会变低，而宇宙有一个阴暗面的证据就会被削弱。

此外，杜伦大学的天文学家最近参与了一个国际研究小组的工作。这一小组的研究表明，宇宙的微波背景结构可能并不像想象中的那样对暗能量的存在独立提供强有力的证明。

如果说暗物质真的存在，那将最终导致宇宙膨胀速度的加快。辐射粒子（光子和射电波等电磁基本粒子）在超星系团中穿行从宇宙微波背景到达WMAP这样的探测器之中。通常来说，宇宙微波背景辐射粒子先发生了蓝移（它们的峰向光谱的蓝端移动），但当它进入超星系团之后又发生了红移。这两个效果相互抵消。不过如果由于暗能量的作用，超星系团在相互远离，这两个效应就不能精准的抵消了。辐射粒子就会发生轻微的蓝移。因此，在辐射粒子穿过超星系团后，宇宙微波背景的温度就会比实际的高一点。

斯隆数字巡天项目测勘了一百万个红移星系，并没有发现这样的效应。而这再次威胁到了标准的宇宙模型。

乌特恩·萨旺维特说：“如果我们能在南半球星系观测中也能获得相同的结果，那就表示暗能量的存在与否确实是一个问题。”

如果宇宙被证明并没有一个阴暗面，那对很多理论物理学家来说都是一个安慰。毕竟，一个由未发现的奇异粒子组成的暗物质和谜一般的暗能量支撑起来的宇宙模型让很多科学家们非常不爽。而这样的宇宙模型也在恒星的起源方面面临着一些问题：就像引力在协助构成恒星一样，反馈的能量也在阻碍他们的构成。

最后尚克斯教授总结道：“当然，一定也存在着那种有暗物质暗能量的标准宇宙模型正确的可能性。但我们还需要更多的研究。不久前，普朗克卫星已经发射升空，我们希望他能为我们带来更多关于宇宙微波背景辐射的数据，并能最终帮我们回答我们居住的宇宙的本质的问题。”

消息来源：physorg网站6月14日报道、《皇家天文学会月刊通报》7月1日论文摘要

图片来自 physorg网站

繁星若尘 编译，沐右 审稿