2011年诺贝尔物理学奖引发热议：宇宙毁于冰or火？

2011年10月20日 08:25
来源：时代周报 作者：赵妍

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2011年的诺贝尔物理学奖属于索尔佩尔穆特、布赖恩·P·施密特（已于2011年9月30日去世）和亚当·G·里斯三位天体物理学家。瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会物理学家奥尔加·博特纳称：

在物质主宰的宇宙中，人们曾希望万有引力能逐渐让宇宙膨胀的速度减慢。所以可以想象，如今的诺贝尔物理学奖获得者们在1998年公布他们的研究结论，宇宙在加速膨胀而非减速时，是多么让人吃惊。通过对比不同距离的超新星视亮度，科学家们发现远处的超新星视亮度比预期黯淡25%，也就是比预期的距离更为遥远，这意味着宇宙膨胀正在加速。这一发现改变了我们对宇宙的理解，它将是宇宙学的基础和里程碑。

蛋糕里的葡萄干：Ia型超新星

三位分享奖项的获得者实际分属两个不同且相互竞争的团队。索尔佩尔穆特领导着的，是1988年启动的“超新星宇宙学项目”（Supernova Cosmology Project）。布莱恩施密特领导着另一个团队，即1994年启动的“高红移超新星研究组”（High-z Supernova Search Team），亚当里斯在这一团队中起到了至关重要的作用。

这项研究的关键是发现超新星。国家天文台研究员、宇宙暗物质暗能量组首席研究员陈学雷在给“科学松鼠会”撰写的文章中介绍：

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。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。

两个研究团队正是通过寻找遥远空间中爆发的超新星，从而展开竞赛。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宇宙的最终命运。科学家们的初衷，都是希望发现宇宙膨胀正在减速的证据，但结果完全相反。

如果用更为形象简单的比喻来理解这一研究发现，可以将宇宙想象成一个放进烤箱的蛋糕，而超新星们则为蛋糕内不同位置的葡萄干。随着蛋糕烘焙而逐渐膨胀，葡萄干之间的距离开始逐渐扩大，若它们之间的距离大于预期距离，则可理解为蛋糕正在加速膨胀。

在此之前，两个团队曾不谋而合地认为，自己的发现是错误的。“我们几乎经历了数个月的挣扎，才开始真正相信自己的研究结果。” 索尔·佩尔穆特在获奖后向媒体透露，“而且当你把研究结果告诉别人时，你还得经历此生最长的质疑眼光”。

1998年1月，两个小组几乎同时公布了自己的观测结果，“超新星宇宙学项目”组有42颗超新星数据，“高红移超新星研究组”虽然只有16颗超新星数据，但每颗的误差要小一些。他们一致的结论是宇宙正在加速膨胀。这一结果当即轰动世界。

当然也不乏质疑之声。因为人们发现Ia型超新星彼此并非完全相同，有些光度的变化速度更快一些，有些则更慢一些。也就是说，这些被当作标尺的“尺子”本身并不标准。不过，2003年《自然》杂志的一则新闻报道解释了这一发现，后有其他研究者跟进，并提供了更多的观测数据，继续支撑用Ia型超新星做标尺的理论。

爱因斯坦的远见

科学家永远站在巨人肩膀之上。

20世纪初，美国天文学家汉丽埃塔斯万勒维特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，从事分析照相底板的繁重工作。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，其脉动的周期也越长。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。这就是宇宙学中“标准烛光”的诞生。直到2011年，三位获得诺贝尔奖的物理学们使用的，也是同原理的方法。