你是否好奇，浩瀚宇宙的最終命運(yùn)將會(huì)如何？自大爆炸以來，宇宙一直在膨脹，但究竟是什么力量驅(qū)動(dòng)著它？20 世紀(jì)末，天文學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，宇宙并非如預(yù)期般減速膨脹，而是在加速！驅(qū)動(dòng)這場加速膨脹的幕后推手，就是神秘的“暗能量”……

01 尋找量天尺

天體的距離如何測量呢？要靠一根接一根的量天尺來測量。我們很容易用三角測距法計(jì)算出某些恒星的距離。300 光年之內(nèi)，都可以用三角法測量。這是我們擁有的第一把宇宙量天尺。

但是，更加遙遠(yuǎn)的天體就不行了。假如要測量銀河的大小，區(qū)區(qū) 300 光年是無論如何不夠用的。哈勃要測量銀河系的鄰居仙女座大星系的距離，那就更不夠用了。我們需要一把更長的尺子。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的仙女座星系的馬賽克圖像。雖然其規(guī)模巨大，但它甚至沒有覆蓋該星系的一半。

你可能還記得我們以前已經(jīng)介紹過，哈勃使用的是造父變星。他在仙女座大星系里面發(fā)現(xiàn)了造父變星。這種天體的亮度就像手機(jī)呼吸燈一樣會(huì)由亮變暗，再由暗變亮，如此循環(huán)往復(fù)。周期長短和絕對亮度是有關(guān)聯(lián)的。那么知道變光周期也就可以推算出絕對亮度。這是第二把尺子，當(dāng)然第二把尺子要用第一把尺子來校準(zhǔn)。哈勃就是利用造父變星測算了大大小小星系的距離，從而發(fā)現(xiàn)了遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們。

造父變星的周期性

現(xiàn)在的太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)可以拍攝到非常遙遠(yuǎn)的天體。感光器件連續(xù)曝光幾十天，對準(zhǔn)針眼大小的區(qū)域拍一張照片。照片上每個(gè)光點(diǎn)都是一個(gè)星系團(tuán)。即便是星系團(tuán)級別，也不過才幾個(gè)像素大小，我們無論如何沒辦法從中分辨出造父變星。第二把量天尺也失效了。

為了能夠測量出距離地球幾十億甚至上百億光年外的星系距離，我們必須要找到新的量天尺，這把量天尺我們前面也介紹過了，就是 Ia 型超新星。

02 大跌眼鏡的發(fā)現(xiàn)

超新星是一把非常好的量天尺，但是也需要精確校準(zhǔn)。利用爆炸余暉，可以把這把尺子調(diào)節(jié)得更加精確。遙遠(yuǎn)的天體發(fā)出的光千里迢迢跑到我們地球的過程之中，難免會(huì)碰上氣體云、塵埃之類的，還要矯正這些霧霾帶來的亮度誤差。這些氣體云和塵埃會(huì)更多地吸收藍(lán)光，因此可以從紅光和藍(lán)光的比例來判斷衰減了多少。

上：白矮星質(zhì)量增長；下：質(zhì)量極限已超出，形成 Ia 型超新星

經(jīng)過天文學(xué)家的不斷努力，這把尺子已經(jīng)被校準(zhǔn)。從上世紀(jì) 90 年代以來，有兩個(gè)獨(dú)立的研究團(tuán)隊(duì)利用當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的設(shè)備尋找超新星。其中有一個(gè)科學(xué)家就是我們前面提到的亞當(dāng)·里斯。還有兩位是，索爾·珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter）、布萊恩·施密特（Brian P. Schmidt），這三位后來分享了 2011 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持不懈地在連續(xù)幾年的時(shí)間里，對高紅移 Ia 型超新星進(jìn)行了觀測，系統(tǒng)地研究了宇宙膨脹現(xiàn)象。他們本來的目標(biāo)是計(jì)算出宇宙膨脹的減速狀況。

2011 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者

宇宙膨脹減速是最符合科學(xué)家們預(yù)期的情況，也很符合邏輯。因?yàn)?，在大爆炸以后，受到引力的作用，宇宙的膨脹速度?huì)減慢，就像炮彈朝天上發(fā)射一樣，出炮膛的一瞬間速度是最快的，然后就會(huì)開始減速，當(dāng)達(dá)到最高點(diǎn)，速度為 0，下落的過程就開始了。

當(dāng)然，炮彈速度足夠快，就可以不掉下來，變成衛(wèi)星，再快一些就可以飛出地球引力范圍，一去不回頭。所以在過去，物理學(xué)家們也一直都認(rèn)為宇宙大爆炸和炮彈發(fā)射很類似，宇宙中的所有物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生引力。假如物質(zhì)足夠多，引力足夠大，最終我們的宇宙膨脹到了頂點(diǎn)，還是會(huì)開始收縮的，最后重新變成一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)過程叫做“大擠壓”。這樣的宇宙雖然無比遼闊，但是體積終究有限，因此也叫封閉宇宙。

只要炮彈速度足夠快，就可以不掉下來，變成衛(wèi)星

假如物質(zhì)不多不少剛剛好，我們的宇宙再也不會(huì)收縮了，雖然膨脹速度在下降，但是永遠(yuǎn)也減不到 0。就像人造衛(wèi)星不會(huì)掉到地球上是一個(gè)道理。這是一種溫和的結(jié)局，一切都慢慢消逝。

為了探求宇宙的未來，天文學(xué)家們試圖測量宇宙膨脹的精確速度，從而確定它的減速情況。幾乎所有的科學(xué)家都認(rèn)為，宇宙膨脹理所應(yīng)當(dāng)是在剎車，區(qū)別無外乎是溫和地剎車，還是急剎車，也有小部分科學(xué)家認(rèn)為是空檔滑行。

上世紀(jì) 90 年代，有兩個(gè)各自獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)向這個(gè)宇宙終極命運(yùn)問題發(fā)起了沖擊，其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)由美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的珀?duì)栺R特領(lǐng)銜，成員來自 7 個(gè)國家，總共 31 人，陣容強(qiáng)大；另一個(gè)團(tuán)隊(duì)則由哈佛大學(xué)的布萊恩·施密特和亞當(dāng)·里斯領(lǐng)銜，也是一個(gè)由 20 多位來自世界各地的天文學(xué)家組成的豪華團(tuán)隊(duì)。

珀?duì)栺R特（最左）與超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員合影

最終，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)前后腳發(fā)現(xiàn)了讓人大跌眼鏡的現(xiàn)象，宇宙在前 70 億年確實(shí)是在減速膨脹，可是在 70 億年前的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，減速膨脹反轉(zhuǎn)成了加速膨脹，這就好像開車，先是踩剎車，然后再踩油門，這個(gè)事情就大大出乎科學(xué)家們的意料了。愛因斯坦或者伽莫夫要是聽說這事兒，估計(jì)一口老血都能噴出來。

03 宇宙正加速膨脹？

宇宙加速膨脹的這個(gè)觀點(diǎn)足以驚動(dòng)全世界，這樣驚人的觀點(diǎn)要站住腳，那必須要經(jīng)受住比其他科學(xué)觀點(diǎn)更加嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

因此，盡管兩個(gè)團(tuán)隊(duì)公布了所有的觀測數(shù)據(jù)和他們的研究方法，但要讓全世界的科學(xué)家們接受依然證據(jù)不夠。在這之后，世界各地的天文學(xué)家們又進(jìn)行了大量的獨(dú)立觀測、驗(yàn)證，包括 COBE、WMAP 和普朗克衛(wèi)星都對這個(gè)結(jié)論做了不同程度的觀測驗(yàn)證，到今天為止，宇宙加速膨脹已經(jīng)成為了一個(gè)經(jīng)受住嚴(yán)苛檢驗(yàn)的事實(shí)而被科學(xué)共同體所接受。

宇宙背景探測者（COBE）

2011 年，珀?duì)栺R特、施密特以及亞當(dāng)·里斯獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這一次，諾貝爾獎(jiǎng)算是反應(yīng)比較迅速的。沒有等到這幾位七老八十才把獎(jiǎng)發(fā)給他們。珀?duì)栺R特算是最老的，當(dāng)時(shí)也才 52 歲。在此前后，他們已經(jīng)拿獎(jiǎng)拿到手軟了。

從諾獎(jiǎng)的反應(yīng)速度，大家也都能掂量出他們的成就有多重要。這個(gè)發(fā)現(xiàn)實(shí)在是太讓人意外了。那么，接下去，就很自然而然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)重要的問題：到底是誰在踩油門呢？這一切該如何解釋呢？

宇宙加速膨脹

按照過去的理論，這是不可能的。我們過去認(rèn)為，宇宙膨脹應(yīng)該是減速的?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，宇宙就像被踩了油門，在加速膨脹之中。到底是誰在踩油門呢？這是個(gè)大問題。

為了解決這個(gè)問題，1998 年，邁克爾?特納引入了一個(gè)新名詞，那就是“暗能量”。

我們講到這里，這個(gè)名字才浮現(xiàn)出來，確實(shí)鋪墊得有點(diǎn)兒長。但因?yàn)橹v到暗能量就只能從宇宙大爆炸的發(fā)現(xiàn)一路講起，否則沒有基礎(chǔ)的人是根本聽不懂的。所以，暗能量其實(shí)還是一個(gè)假想的概念。

04 暗能量假說是什么？

研究暗能量，必須要從宇宙誕生的那一刻開始。大約 138 億年前（當(dāng)然，正如我前面說的，這個(gè)數(shù)字可能不對，但這依然是目前接受度最高的數(shù)字，我們也就這么說），宇宙從一個(gè)奇點(diǎn)之中誕生。爆炸后的一瞬，物理法則開始生效，那個(gè)瞬間，一切都是溫度極高的狀態(tài)，隨著宇宙的膨脹，溫度開始下降了。

到了第 10 的 -11 次方秒左右的時(shí)候，粒子的溫度已經(jīng)降低到了我們現(xiàn)有高能物理理論能掌握的階段。我們就可以計(jì)算那個(gè)時(shí)候究竟發(fā)生了什么事情。那個(gè)時(shí)候，夸克和膠子開始組合成質(zhì)子和中子。第 10 的 -6 次方秒時(shí)，宇宙產(chǎn)生了大批的質(zhì)子與反質(zhì)子對，中子與反中子對。但是數(shù)量并不匹配，正粒子比反粒子多了這么一絲絲。隨后它們互相抵消湮滅，還剩下十億分之一的中子和質(zhì)子保留到今天。大爆炸以后 1 秒左右的時(shí)間段，電子和正電子也遭遇過類似情況，電子也多了一絲。我們看到的宇宙星辰就是由這殘留的一絲正物質(zhì)構(gòu)成的。

在宇宙大爆炸約 3 分鐘后，宇宙濃湯的溫度足夠低了，原子核才能形成。一直到大爆炸以后 38 萬年，宇宙的霧霾才逐漸散開，變得透明。光子才能痛快地在宇宙里不受限制地隨意穿行。這就是大爆炸以后發(fā)出的第一縷光。這些光子已經(jīng)被我們?nèi)祟愄綔y到了，這就是“宇宙微波背景輻射”，它能告訴我們宇宙早期的信息，以及宇宙之中物質(zhì)含量的信息。

WMAP 制作的全天圖顯示了宇宙背景輻射

因?yàn)檫@些光子幾乎是穿行整個(gè)宇宙才落到我們的探測器里，它們一路之上受到的引力扭曲，穿過的氣體，遇上的塵埃，都會(huì)在微波背景輻射之中留下痕跡。

該圖揭示了宇宙誕生以來膨脹率的變化

按照普朗克衛(wèi)星的最新數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在對宇宙的基本認(rèn)知是：暗能量占了總質(zhì)能的 68.3%、暗物質(zhì)占 26.8%、普通物質(zhì)僅占 4.9%。