1998年,两个独立团队盯着同一批遥远的Ia型超新星(一种爆炸亮度可预测的白矮星爆发)。数据出来后,有人反复检查了几个月:它们比理论预期暗了约两成。暗,意味着距离更远;距离更远,意味着宇宙膨胀没有像所有人以为的那样在慢下来——它在加速。
先把话说清楚:什么是减速膨胀
一句话定义:减速膨胀指宇宙的膨胀速率随时间变小。注意,是“变慢”,不是“收缩”。打个日常比方:你松开油门,车还在往前滑,速度表指针却在一格一格往下掉——车没倒退,只是越跑越慢。宇宙的“速度表”叫哈勃参数(描述每单位距离上宇宙退行速度的量),减速膨胀,就是这只指针在往下走。
引力本该是唯一的刹车
20世纪的宇宙学剧本写得很清楚:物质之间有引力,引力只拉不推。把宇宙里的物质和辐射代进弗里德曼方程(描述宇宙整体如何随时间膨胀的一组方程),算出来的结果必然是膨胀越来越慢。这个结论有观测支持:早期宇宙的膨胀确实在减速,宇宙微波背景和轻元素丰度等观测都指向这一点。当时,这套图景被当作理论预言,也符合直觉——扔出去的球,总会被地球拽得慢下来。
1998年,有人悄悄踩了油门
Ia型超新星被称为标准烛光——它们的峰值亮度足够一致,所以“看起来多暗”就能换算成“离得多远”。两个团队发现,更遥远的超新星比一个减速膨胀的宇宙所允许的位置更暗。这不是微调:要解释这批数据,宇宙必须在某个时刻从减速切换到加速。后续独立观测——宇宙微波背景、重子声学振荡、大尺度结构——把结果钉得更牢。2011年,诺贝尔物理学奖颁给了这项发现。
目前的测量给出:加速大约始于60亿年前。如果把138亿年的宇宙史压缩成一年,那么从7月下旬开始,宇宙的“油门”才被踩下去;在那之前,减速膨胀主导了大部分时间。顺带说一个尺度感:哈勃常数约为每百万秒差距70公里/秒,也就是每远离326万光年,退行速度每秒多出约70公里——相当于一小时跑25万公里。
减速膨胀没有作废,它只是分阶段
所以,减速膨胀不是错误理论,而是宇宙的一段历史。描述这件事的量叫减速参数q:q大于0表示减速,小于0表示加速。物质主导时期q为正;今天测出的q约为-0.55,说明加速已占上风。
为什么会反转?主流解释是暗能量——一种能量密度近乎不随空间变化、提供负压的成分,约占宇宙总能量的68%。但它的本质是什么,目前尚无定论:宇宙学常数、随时间演化的标量场,都还是假说推测,尚未被观测区分开。这里必须把话说清楚:我们观测证实的是“加速”这个现象,而不是“暗能量”这个实体。
别把减速膨胀听成宇宙收缩
这两个概念差得很远。你可以坐一部上升的电梯,速度向上,加速度却向下——你仍然上升,只是上升得越来越慢。早期宇宙就处在这种状态:空间在长大,但长大的速率在下降。减速膨胀不等于收缩;宇宙未来是否会反转,取决于暗能量密度会不会变,目前没有观测证据支持即将收缩。
回到1998年那批超新星。让教科书改写的东西,只是亮度上大约两成的偏差——两成,肉眼几乎分不出的明暗差。可正是这一点点暗,把一个“引力踩刹车”的宇宙,换成了“暗能量踩油门”的宇宙。更麻烦的问题还在后面:为什么暗能量的密度小到只有理论估算的10的120次方分之一?它将来会一直踩住油门吗?下一次,也许又是某个“只差两成”的数据,把今天写下的答案再翻过去。
候选标题(编辑备选)
- 悬念型:谁给宇宙踩了油门?减速膨胀的反转
- 画面感型:刹车片失灵:宇宙减速膨胀的意外转弯
- 提问型:宇宙在减速膨胀,为何反而越跑越快?
延伸阅读
- 史蒂文·温伯格《最初三分钟》:讲早期宇宙如何膨胀与冷却,适合补齐“减速”阶段的背景。
- 纪录片《宇宙时空之旅》(Cosmos: A Spacetime Odyssey)第一季:直观呈现宇宙膨胀与暗能量的观测线索。
- NASA Science 宇宙专区(science.nasa.gov/universe):可查暗能量与超新星观测的官方科普资料。