解讀2011年諾貝爾物理學獎：宇宙如何膨脹？ _諾貝爾

宇宙如何膨脹？
——所有的星系都在離我們遠去
導讀：1915年，愛因斯坦發表了他的廣義相對論，此后這一直是我們理解宇宙的基礎。按照廣義相對論，宇宙只能收縮或者膨脹，不可能穩定不變。但事實剛好相反：宇宙正在膨脹。觀測到的宇宙膨脹，在理論計算中其實已經被人提出過了。宇宙的膨脹始于140億年前的大爆炸，但在最初幾十億年里，宇宙膨脹的速度是越來越慢的。但最終，它開始加速膨脹。這種加速被認為是由暗能量驅動的，這種暗能量起初只占宇宙的一小部分。但隨著物質在宇宙膨脹過程中逐漸稀釋，暗能量變得越來越顯著。
1、宇宙的膨脹來自超新星的大爆炸
超新星（即大質量恒星）爆炸的概念是1934年由茨維基和巴德提出的。他們猜測當一些恒星壽命結束時將會塌縮，然后發生爆炸，其亮度可達到十億甚至百億個太陽的亮度，巴德和茨維基也觀測到了一些超新星。
宇宙中其實有兩種不同的超新星：一種是茨維基最早提出的核塌縮超新星，另一種其爆炸機理不同，現在一般認為是白矮星（質量比較低的恒星比如太陽在燃盡核燃料后就會變成白矮星）從其伴星中吸積（吸積是圍繞年輕恒星的星盤入面的碎片漸漸變大,最后形成行星的過程;即是天體通過引力“吸引”和“積累”周圍物質的過程。）物質，到一定程度后再發生核爆炸。但有趣的是，茨維基和巴德最早觀測到的超新星都是后面這種他們所未曾想到過的類型，他們把這種發生爆炸的白矮星稱為“Ia型超新星” 。
2、如何發現宇宙中的“超新星”？
盡管我們上面超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一點。如何尋找超新星？這意味著研究團隊必須徹查整個天空，來尋找遙遠的超新星。訣竅就在于，比較同樣的一小塊天空拍攝于不同時間的兩張照片。這一小塊天空的大?。拖嗟庇諛閔熘筆直凼笨吹降鬧訃贅譴笮?。第一張照片必須在新月之后拍攝，第二張照片則要在3個星期之后，搶在月光把星光淹沒之前拍攝。接下來，兩張照片就可以拿來比對，希望能夠從中發現一個小小光點，即CCD圖像中的一個像素——這有可能就是遙遠星系中爆發了一顆超新星的標志。只有距離超過可觀測宇宙半徑1/3的超新星才是可用的，這樣做是為了消除近距離星系自身運動而帶來的干擾。
3、宇宙膨脹的加速度來自一種未知的暗能量
是什么在加速宇宙膨脹呢？這種神秘力量被稱為暗能量，它向物理學提出了一大挑戰，至今無人能夠破解這一謎題。科學家已經提出了若干想法。宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊藏于空間結構中的某種未知能量的推動下，宇宙正在分崩離析。這種所謂的“暗能量”（dark energy）占據了宇宙成分的絕大部分，含量超過70% 。它的本質仍然是謎，或許是今天的物理學面臨的最大謎題。
宇宙的組成部分，除去上文所說的暗能量，還有像我們人類所在的這個星球這樣的常規物質之外，還有一個組成部分那就是暗物質。暗物質是我們大都未知的宇宙中另一個迄今未解的謎題。與暗能量一樣，暗物質也是不可見的。對于這兩樣東西，我們只知道它們發揮的作用—— 一個是推，另一個是拉。名字前面那個“暗”字，是它們唯一的共同點。
4、超新星爆炸時的“紅移”現象說明，星系正在離我們遠去
紅移現象指的是白矮星爆炸的光在遠離我們的時候，其光波長會被拉長，而波長越長，它的顏色就越紅。目前對紅移現象的公認解釋為：速度造成紅移。例如：當一列火車向我們奔馳而來時，它的汽笛聲尖銳刺耳，因為火車的高速運動使聲波波長被壓縮，能量密度增加。相反，當火車離開我們飛馳而去時，它的汽笛聲則低沉幽緩，簡稱多普勒效應。