通過發(fā)現(xiàn)它在加速膨脹，索爾·珀爾馬特正在改變我們對整個宇宙的認識。
有一些科學(xué)家他們的工作永遠地改變了我們對宇宙的看法。索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）就是其中之一，他在1998年發(fā)現(xiàn)暗能量中起到了核心作用。暗能量是一種無形的能量，在宇宙萬物中的比例高達73%，正是它在拉伸空間結(jié)構(gòu)并且導(dǎo)致宇宙在加速膨脹。通過他的開創(chuàng)性研究，這位當(dāng)時38歲、在美國勞倫斯伯克利國家實驗室工作的物理學(xué)家徹底顛覆了我們的宇宙模型。
科學(xué)家們長久以來一直認為，組成恒星、行星和人的原子占據(jù)著宇宙的主導(dǎo)�，F(xiàn)在人們普遍認為，這些物質(zhì)其實只占5%，和驅(qū)動空間膨脹的神秘反引力能比起來相形見絀。宇宙中其余的22%是暗物質(zhì)，它和暗能量無關(guān)，但目前的探測手段還沒有直接探測到它�？茖W(xué)家們也曾經(jīng)一直認為，宇宙膨脹要么會在無窮長的時間里一直減速下去，要么最終會停止膨脹繼而開始坍縮。珀爾馬特的發(fā)現(xiàn)迫使他們重新思考這個問題，宇宙會一直膨脹下去，甚至最終還會出現(xiàn)所有恒星和星系都被撕開的“大撕裂”。
自1998年以來珀爾馬特一直致力于完善對宇宙加速膨脹和暗能量的測量。關(guān)于難以捉摸的暗能量的理論大量涌現(xiàn)，而珀爾馬特則熱衷于尋求觀測證據(jù)來幫助尋找有關(guān)的答案。在這里他將告訴我們他奇怪的發(fā)現(xiàn)、對暗能量的最新觀點以及正在試圖探究暗能量屬性的觀測計劃。
問：是什么研究動機導(dǎo)致你在1998年發(fā)現(xiàn)了暗能量？
答：20世紀20年代，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹。但緊接著就產(chǎn)生了更多的問題。宇宙會一直膨脹下去嗎？它會停止膨脹嗎？也許它會調(diào)頭并開始坍縮。我們?nèi)绾尾拍苤烙钪媸欠駮朗来嬖谙氯�？�?dāng)你說我們住在一個不斷變化、膨脹的宇宙中時，有些明顯的事情你會想知道。而回答這些有關(guān)未來的問題的方法則是回首過去。
問：那你是如何從宇宙膨脹的歷史來觸及這樣一個復(fù)雜的問題的呢？
答：其基本思想是，當(dāng)你所看到的距離越遠，你就越深入過去。在一些20世紀30年代的早期論文中，就有人提出用超新星——極為明亮的爆炸中的恒星——來測量宇宙的膨脹，因為它們的光度大致是相同的。如果每個超新星的輻射功率幾乎完全一樣的話，那么你就可以用它們的亮度來確定出它們到地球的距離。但事實證明，你觀測的超新星越多，其中不同類型的也就越多，這種一致性就不復(fù)存在了。直到20世紀80年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超新星中有一類被稱為Ia型超新星的，它們的光度具有非常高的一致性。幸運的是，它們同時也是超新星中最明亮的，因此即使是在很遠的距離上也能看到它們。
問：超新星是怎樣揭示出宇宙在膨脹的？
答：我們利用Ia型超新星做為距離的標尺。然后就是搞清楚自每個超新星爆炸以來宇宙膨脹了多少。Ia型超新星發(fā)出的幾乎所有光都集中在一個特定的藍色波長上。但是，當(dāng)這些藍光在傳播的過程中，由于宇宙的膨脹它們會被拉伸，所以在它們到達我們的時候就會看起來呈紅色（波長更長）。這些光線看起來有多紅就怎么告訴了你自這個超新星爆炸以來宇宙究竟膨脹了多少。觀測不同的超新星，你就能夠確定出50億年、30億年或者10億年前宇宙有多大，由此就能確定出宇宙是如何隨著時間而膨脹的。人們原先預(yù)期，由于宇宙中所有的物質(zhì)之間都通過引力相互吸引，因此隨著時間的推移，宇宙的膨脹將會減速。而我們卻發(fā)現(xiàn)，宇宙的膨脹實際上是在加速。
問：宇宙正在越來越快加速膨脹的重要性在哪兒？
答：這說明宇宙并沒有我們想象得那么簡單。物質(zhì)并不會導(dǎo)致宇宙膨脹的加速，它們只會令其減速。于是，我們立刻就知道了，宇宙中還存在其他東西。事實證明，宇宙中的大部分物質(zhì)是以真空中某種能量的形式所出現(xiàn)的，而且它們還表現(xiàn)出了排斥的奇怪特性。也正是它導(dǎo)致了宇宙的加速膨脹。我們不知道它究竟是什么，但現(xiàn)在人們使用“暗能量”這個詞來描述它的神秘屬性。
問：你的這些研究結(jié)果是突然一下子冒出來的嗎？
答：嗯，這是個有意思的問題。這可能是歷史上最慢的“突然一下子”，它花了幾個月時間才“冒出來”。原因是這其中的數(shù)據(jù)分析工作其實相當(dāng)?shù)脧?fù)雜，而在得到真正好的數(shù)據(jù)之前還有許多校準的步驟要做。另一方面，當(dāng)我第一次去報告這些數(shù)據(jù)結(jié)果的時候，在我的演講結(jié)束之后，著名宇宙學(xué)家喬爾·普里馬克（Joel Primack）站起來說，他只是想向在場的物理學(xué)家指出，這是一個了不起的、絕對讓人大吃一驚的結(jié)果。在那一刻我也感受到了，沒錯，這確實令人震驚。
問：現(xiàn)在科學(xué)家們是如何試圖來解釋暗能量的？
答：愛因斯坦最初在他的廣義相對論方程中加了一個Λ項，以此來抵消引力的影響并構(gòu)建一個靜態(tài)的宇宙。哈勃所發(fā)現(xiàn)的宇宙膨脹使得愛因斯坦深信這個Λ項是不必要的。但后來人們認識到，在量子力學(xué)中Λ可以很容易地用真空中粒子的自發(fā)出現(xiàn)和消失來解釋。這些粒子被稱為虛粒子，與它們不斷出現(xiàn)和消失相關(guān)的能量便成為了我們了解真空能的來源。不幸的是，如果你計算一下這個能量的大小的話，得到的數(shù)字會比實際測到的大10的120次方（1后面120個0）倍。這無疑是個大問題。因此，通常假定這里必定存在一個完美的抵消機制，可以使得最后的差等于0。但是，現(xiàn)在我們看到，結(jié)果并不正好等于0。我想大多數(shù)的粒子物理學(xué)家認為我們需要新的解釋。
問：這些解釋是什么？
答：一種解釋是，暗能量是一個標量場，它的特點是在空間每一點它會從這個數(shù)值“滾動”到另一個數(shù)值。雖然在滾動，但它的能量足以驅(qū)動宇宙加速膨脹。或者也許是愛因斯坦給出的廣義相對論方程式并不完美，還需要一點點的修改。另一個有趣的解釋是可能存在額外的維度，引力會滲透到那些不可見的維度里。在過去10年里，每個星期都會新出兩到三篇解釋暗能量的論文。但如果你問我這些理論家是否相信他們所提出的模型就是答案，我想他們幾乎每個人都會說：“不，我只是想嘗試一下不同的想法，希望由此能得到一些線索。”然后，他們又會轉(zhuǎn)向我們這些觀測天文學(xué)家尋求更多的數(shù)據(jù)。
問：那么我們會如何進一步去了解暗能量的實質(zhì)？
答：一個很好的例子是近距超新星工廠，這個觀測項目已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了500多顆可以用來探測暗能量屬性的Ia型超新星。我還參與了由美國航天局和美國能源部共同資助的聯(lián)合暗能量任務(wù)。它計劃發(fā)射一顆衛(wèi)星來尋找超新星，此外還會研發(fā)其他技術(shù)來探索暗能量的影響。如果我們能夠做一個真正好的項目，那么在若干年之內(nèi)就會有新的發(fā)現(xiàn)，對此我很樂觀。我們所需的是正確前進方向的一些暗示。我認為理論家都非常有創(chuàng)造力，最終會給出一個解答，但目前還沒有頭緒。暗能量可以是任何東西。
問：自宇宙大爆炸以來，宇宙的膨脹和暗能量的影響是如何變化的？
答：對于宇宙學(xué)家而言，在宇宙大爆炸之后10-35秒左右的極早期有一個被稱為暴漲的時期。暴漲是另一個宇宙加速膨脹期，而我們也還不知道是什么導(dǎo)致了這一加速。有可能在當(dāng)時還有另一種形式的暗能量。暴漲之后引力占據(jù)了主導(dǎo)，使得膨脹放緩。這一直持續(xù)了大約70億年，此后宇宙中的物質(zhì)過于分散無法再制約膨脹。此時，暗能量開始發(fā)力，宇宙膨脹也由此再次開始加速。
問：這一發(fā)現(xiàn)對宇宙的命運而言意味著什么？暗能量會減小嗎？
答：你可以簡單地說，由于現(xiàn)在的宇宙正在加速，所以這意味著它會永遠加速下去，最終導(dǎo)致一個非常黑暗、空蕩、冰冷的結(jié)局。但是應(yīng)該記住，我們并不知道是什么導(dǎo)致了當(dāng)前的加速，我們也不知道是什么在宇宙的極早期引發(fā)了暴漲時期的加速。暴漲最終停了下來，宇宙隨之也開始減速。誰知道我們現(xiàn)在看到的加速是不是也會停止，然后宇宙開始坍縮。所以，我要說的是，除非我們搞清楚了宇宙加速膨脹的原因，否則宇宙的命運將始終是個未知的謎。
（Andrew Grant/文，Shea/編譯）
責(zé)編：微科普