一股神秘的力量正在加速宇宙的膨胀。这种奇怪的效应与引力背道而驰，将所有物质从内向外推开
作者：José Tadeu Arantes /
这可能是20世纪末最伟大的发现，也是新千年之初的科学挑战。令科学家们惊讶的是，两个竞争的天文学家团队表明，宇宙由大爆炸（宇宙起源的巨大爆炸）引起的膨胀并没有因为物质的引力吸引而减速。相反，它一直在加速。换句话说：一股奇怪的力量继续将宇宙“向外”推，使星系以越来越快的速度相互远离。
就在一年前，人们还认为宇宙的膨胀甚至可能完全停止。然后，由于引力吸引，一切都会被拉回来，直到发生新的超爆炸——大挤压。这个灾难性的情景现在被完全否定了。在与引力作对的神秘力量的推动下，宇宙似乎注定要永远膨胀下去。直到时间的尽头。这一新发现将引发物理学的一场革命。它还将导致对宇宙年龄的计算进行修订。它的年龄可能比人们想象的要大得多。
宇宙膨胀加速的发现同时由两个跨国天文学家团队宣布：由澳大利亚人 Brian Schmidt 领导的 High Z Supernova Search Team 和美国人 Saul Perlmutter 的 Supernova Cosmology Project（见下文图表），两人都是今年诺贝尔物理学奖的热门人选。这一消息如此非同寻常，以至于世界各地的天文学家都在试图否定它。然而，如果得到证实，它将改变我们对现实的整个看法。因为它将揭示一种先前未知、其物理性质完全是谜的力量的存在——这种力量的作用方向与引力相反，使物质体相互远离。目前找到的这种排斥力的唯一解释是，它是由真空产生的。
这似乎很荒谬。但是，在量子物理学中，真空是巨大的能量储存库，它不断地创造和湮灭粒子。宇宙能量的 70% 都与这个真空有关，而物质本身只占 30%。天文学家 Amâncio Friaça（来自圣保罗大学天文地理研究所 (IAG)）强调：“我们还没有足够先进的物理学来处理真空。这意味着宇宙 70% 的内容从未被科学探索过。”
但新发现引起的惊叹不止于此。真空的能量含量可能比引起宇宙膨胀所需的能量高出 10120 倍。这个惊人的数字相当于数字 1 后面跟着 120 个零：一个难以想象的数字。“研究这种真空的性质将是未来几十年最大的科学挑战，”Friaça 兴奋地说。“我们正生活在科学史上一个特权而激动人心的时刻。”
排斥力的存在与否直接影响宇宙年龄的计算。如果它存在——也就是说，如果宇宙的膨胀确实在加速，正如两个天文学家团队所声称的那样——那么宇宙一定比人们假设的要古老。因为过去膨胀速度较小，所以它可能需要更长的时间才能达到目前的尺寸（见图）。像去年之前人们设想的那样减速膨胀，使宇宙的年龄为 93 亿年。随着膨胀加速，宇宙的寿命可以延长到 134 亿甚至 150 亿年。这 41 亿到 57 亿年的增长对于使宇宙年龄与我们银河系约 120 亿年的年龄相符是必不可少的。
发现过程
研究人员通过观测一类特殊的恒星—— Ia 型超新星，发现了宇宙膨胀正在加速。这些恒星发出的光辐射如此精确地相同，以至于天文学家将其用作宇宙标准。Supernova Cosmology Project 和 High Z Supernova Search 团队的想法是比较近距离和远距离超新星的亮度。经过多年的系统观测，两个团队独立地得出了相同的结论：遥远恒星的视亮度低于预期。
将这些数据与理论模型预测进行比较，这两个小组得出结论，这是由于这些恒星所在的星系的退行速度在加速。这样的发现在一年前是不可能实现的。Supernova Cosmology Project 和 High Z Supernova Search 拥有天文学史上最先进的设备：哈勃太空望远镜，位于夏威夷的 10 米口径的凯克望远镜，以及世界各地几个 4 米望远镜。
利用 4 米望远镜，天文学家拍摄了天空的多个区域，并在三周后再次拍摄。每张图像都记录了数亿个星系。下一步是跟踪每个区域两张图像之间的差异——这比大海捞针还难。但当有最新一代计算机的帮助时，并非不可能。天文学家推断，这些差异只能是两次拍摄之间发生超新星爆炸的结果。在找到的超新星中，挑选出了 Ia 型。得到了大约一百颗恒星，其中一些非常古老，有 100 亿年的历史。找到目标天体后，团队使用哈勃和凯克望远镜尽可能精确地确定它们的距离和视亮度。通过比较这两组数字，他们得出了宇宙膨胀加速的结论。
宇宙的年龄
去年 5 月，一个由美国人 Wendy Freedman 领导的天文学家团队利用哈勃太空望远镜收集的数据，宣布得出了宇宙年龄的新值：120 亿年。这一估计基于对所谓的哈勃常数进行的精确计算，该常数将星系的相互退行速度与其相对距离联系起来。
此前，哈勃常数的计算非常不精确，天文学家通常会相差一倍——即，他们将宇宙的年龄归因于 100 亿到 200 亿年之间。现在，这种不精确性已降至 10%。Freedman 通过研究约 800 颗造父变星——一种亮度可变的恒星，天文学家用来测量距离——实现了这一目标。他使用造父变星作为标记，确定了距离地球 6500 万光年内的 18 个星系的距离。将这些数据与根据我们接收到的光线特征估算的这些星系的速度相结合，天文学家得出了哈勃常数的新值，从而得出了 120 亿年。这是对宇宙年龄迄今为止最好的测定。但它仍然不是最终的。毕竟，它只基于宇宙膨胀率的当前值。如果这个速率正在加速，年龄应该会超过 134 亿年的标记。
惊人的暴胀
膨胀导致冷却。正是这种冷却使得物质得以结构化，给宇宙带来了巨大的转变。在大爆炸之后不久，温度的急剧下降导致了一种不平衡，极大地加速了空间的膨胀。这种现象被称为暴胀，持续了极短的时间。但它如此强烈，以至于宇宙从一个质子的体积膨胀到如今最强大的望远镜所能观察到的尺寸。
尽管温度大大降低，但仍然非常高——约为 1027 开尔文，即比绝对零度高出十亿的十亿的十亿度。当时的宇宙由纯能量组成，处于狂热的活动状态，粒子和反粒子不断产生和湮灭。这些最早的粒子属于夸克和反夸克，以及轻子和反轻子。大爆炸后百万分之一秒，温度降至 10 万亿度，使得三联夸克和反夸克能够结合形成质子、中子及其相应的反粒子。
再过三分钟，宇宙已经冷却到足以使质子和中子结合，形成最简单元素的原子核：氢（一个质子）、氘（一个质子和一个中子）、氦（两个质子和两个中子）、锂（三个质子和四个中子）。当时宇宙的温度计显示为一百万度。这个称为“原初核合成”的核形成过程持续了约 20 分钟。但需要等待 30 万到 40 万年的冷却时间，核才能捕获自由电子，形成第一个原子。
生命的诞生
在原子形成之前，宇宙是不透明的，因为自由电子与光子（光粒子）之间的相互作用阻碍了光辐射的传播。随着自由电子的捕获，光子得以自由传播。宇宙变得透明。不到十亿年后，原子之间的引力吸引产生了第一代恒星和星系。核合成在恒星内部继续进行，用更复杂的元素（碳、氧、铁等）的原子核丰富了宇宙。这些元素将参与后代恒星的形成——最终带有行星，在特殊情况下，物质的组织将创造出生命的出现条件。
只是众多宇宙中的一个
大爆炸之前是什么？直到几年前，这个问题似乎毫无意义。科学家们认为空间和时间随着大爆炸而诞生。因此，“之前”这个词只能在大爆炸之后使用。如今，人们开始以不同的方式思考。来自圣保罗大学 IAG 的天文学家 Laerte Sodré 表示：“许多宇宙学家认为我们的宇宙只是众多宇宙中的一个，可能是无限的。”“大爆炸只标志着我们宇宙的诞生，但可能存在其他宇宙，甚至更古老。”
这些宇宙可能具有与我们截然不同的物理性质。而且，在科学发展的现阶段，它们完全超出了我们的观测能力。“但必须清楚的是，这些想法纯粹是猜测性的，”Sodré 警告说。“我们还没有足够发达的物理学来理解大爆炸后最初的几分之一秒发生了什么，更不用说它之前发生了什么了。”事实上，宇宙学的一个优点是它能让人类对自己的无知程度有所了解。
正如前面提到的，宇宙 70% 的能量可能来自一个科学才刚刚开始探索的真空。但这还不是全部：在剩下的 30% 的内容物中，只有三分之一是物理学研究的常规物质。另外三分之二由所谓的“暗物质”组成，其性质完全未知（见下文图表）。这种对未知的瞥见并没有让科学家们沮丧，反而极大地激励了富有创造力的科学家。“科学研究开始出现令人难以置信的有趣事物，”Amâncio Friaça 宣布。“科学才刚刚开始。”
奇异的暗物质
质子、电子、中子：所有这些与常规物质相关的概念都不适用于暗物质。科学家们对它的性质一无所知。但他们越来越确信它的存在。“这种信念始于 20 世纪 30 年代，”Laerte Sodré 介绍说。“当时，保加利亚天文学家 Fritz Zwicky (1898-1974) 在研究星系团的行为时，计算出星系必须具有的质量才能使其相对运动能够平衡引力吸引，防止它们相互挤压。他得出的结论是，它们包含的物质比其恒星总和所能归因的要多得多。”
从那时起，支持暗物质存在的证据不断增加。它填满了宇宙，围绕星系形成比可见核心大得多的晕。尽管无法通过常规手段感知，暗物质也存在于地球上——甚至存在于人体内部。它的存在可以解释许多至今仍困扰科学的奥秘。
宇宙膨胀
宇宙正在膨胀，这是由哈勃于 1929 年发现的，当时他注意到星系正在远离我们，而且离得越远，远离的速度就越快。到 20 世纪末，天文学家在寻找决定宇宙命运的证据时，惊讶地发现了相反的情况。他们发现宇宙的膨胀并没有像人们认为的那样减速，而是正在加速。这是什么原因造成的？
加速膨胀
1998 年，两个独立的天文学家团队（Supernova Cosmology Project 和 High Z Supernova Search Team）研究了 Ia 型超新星——一种在整个宇宙中亮度恒定的恒星。他们发现，遥远的超新星比预期的要暗，这意味着它们比计算的要远。这表明宇宙膨胀实际上是在加速，而不是减速。这一发现表明存在一种“暗能量”——一种未知的力量，它以排斥力的形式作用，抵消了引力。
宇宙的年龄
如果宇宙的膨胀正在加速，那么它的年龄必须比之前估计的要大。到 20 世纪末，宇宙的年龄估计约为 93 亿年。加速膨胀的发现将这个数字修正为 134 亿到 150 亿年。这使得宇宙的年龄与银河系的年龄（约 120 亿年）更加一致。
发现过程
为了发现宇宙膨胀的加速，天文学家观察了 Ia 型超新星。这些超新星的亮度是恒定的，这使它们成为测量宇宙距离的“标准烛光”。通过比较 Ia 型超新星的视亮度和它们的已知亮度，天文学家能够计算出它们的距离。然后，他们将这些距离与它们的红移（衡量宇宙膨胀的指标）进行了比较，从而得出了膨胀率。研究表明，膨胀率正在增加，这意味着宇宙的膨胀正在加速。
暗能量和暗物质
暗能量是导致宇宙膨胀加速的原因。其性质未知，但据信占宇宙总能量的 70%。暗物质是另一种未知的物质形式，占宇宙总质量的 27%。它不发光，但通过其引力效应可以被探测到。常规物质（构成我们所看到的一切）仅占宇宙总能量和质量的 3%。
大爆炸和宇宙的早期
大爆炸是宇宙的开端，大约发生在 138 亿年前。在最初的几分之一秒里，宇宙经历了快速膨胀，称为“暴胀”。随后，宇宙冷却并形成了基本粒子，如夸克和轻子。随着宇宙的进一步冷却，质子和中子结合形成原子核，然后电子与原子核结合形成原子。大约 38 万年后，宇宙变得透明，光子得以自由传播。在大约 10 亿年后，第一批恒星和星系形成，宇宙开始演变成我们今天看到的样子。
生命在宇宙中的位置
生命是否是宇宙独有的？这是一个长期存在的问题。虽然我们对宇宙的认识还很有限，但我们知道宇宙如此之大，以至于可能存在其他地方也适合生命存在。事实上，一些科学家认为，我们的宇宙可能只是众多宇宙中的一个，每一个都具有自己独特的物理定律和恒星。
对科学的启示
宇宙膨胀加速的发现以及暗能量和暗物质的存在，已经深刻地改变了我们对宇宙的理解。它表明我们对宇宙的了解还很少，并且还有许多未解之谜等待我们去探索。这些发现激励着科学家们继续研究，以揭示宇宙的奥秘。
