宇宙為何會膨脹？這讓愛因斯坦非常“懊惱”！

出品| 新浪科技《科學大家》

撰文| 趙公博中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學天文與空間科學學院教授、天文學系主任

我國古代先人非常有智慧，在漢代古書劉安的《淮南子·齊俗》中，就提到過“四方上下謂之宇，往固來今謂之宙”，簡單來說宇是空間，宙是時間，所以宇宙學是一門研究時空的學問。

在宇宙中，時間和空間基本上是一回事。因為當你看到宇宙深處的時候，你就看到了過去。我們通常提到的宇宙學長度單位：光年，看起來挺奇怪，像個時間單位，實際上是長度單位，代表是光走一年的距離。

光走一年的距離是多遠呢？也不是很遠，大概就是94600億公里。那銀河系有多大呢？直徑十萬光年以上，也就是說，從銀河系的這一端走到另外一端，光要走十萬年。

當你看到更遙遠的星系，比如仙女座星系，距離地球250萬光年，你看到的這個樣子是它250萬年前的樣子，今天可能已經不存在了，另一個風車星系離我們更遠，有2100萬光年。

所以對研究宇宙學、天文學的人來說，“任時光匆匆流去，我只在乎你的過去”，看不到未來，我們只能透過過去了解宇宙發生了什麼。

如何探索宇宙演化歷史

要研究宇宙，你首先需要一個非常好的理論，而要創造一個好的理論，你需要一個聰明的大腦。愛因斯坦就建立了非常偉大的理論：廣義相對論，但同時你還需要有非常好的觀測方法去檢驗理論，其中多重宇宙探針就是用各種各樣不同的手段去探索宇宙。

宇宙微波背景輻射是我們的一個觀天利器，它的原理其實很簡單，類似利用微波爐的波段去探測光子在全天區的分佈，根據大爆炸理論的預言，在天空中有一個3K的微波背景輻射，這個微波背景輻射在天空的分佈中帶有大量宇宙學資訊，因為這些光子是從宇宙大爆炸之後的38萬光年飛到了我們的今天，攜帶了大量沿途的“風景”，所以我們說宇宙微波背景輻射是探索宇宙嬰兒時期的利器。宇宙微波背景輻射研究（cosmic microwave background簡稱CMB）已經兩次獲得了諾貝爾物理學獎。

宇宙標準燭光：超新星

我們不僅可以透過看光子去研究早期宇宙發生了什麼，我們還可以透過觀測另一種星級——-超新星，它們被稱作宇宙標準燭光，距離我們相對近一些。為什麼稱之為標準呢？因為它從爆發到死亡，光度隨著時間是有規律的，我們可以利用超新星的光度去推斷它和我們的距離。

另一方面，利用今天的光譜技術能夠測算出速度，有了距離有了速度，科學家就可以測量很多有意思的宇宙資訊，比如宇宙學引數等等。

透過超新星，1998年，科學家發現宇宙不僅在膨脹，並且是加速膨脹， 2011年的諾貝爾物理獎就頒發給了超新星相關的研究工作。

宇宙的標準的汽笛：引力波

引力波被稱為宇宙的標準的汽笛，研究宇宙不僅可以靠看，還可以靠聽。當兩個緻密天體相互併合繞轉的時候，它會形成時空的漣漪，就像聲音能被大家能聽到一樣，因為空氣在聲音傳播當中壓強發生了變化，引力波是時空的漣漪，本質上振動可以透過“聲音”聽到。而且引力波攜帶了非常重要的宇宙學的資訊，所以被叫做標準汽笛。2017年引力波的相關研究也獲得了諾貝爾獎。

宇宙標準尺：重子聲波振盪

我的研究領域是做重子聲波振盪，它被稱作宇宙標準尺，前面有燭光可以看亮度，有汽笛可以聽聲音，標準尺可以測量距離。我們的方法是利用大量的星系樣本，利用統計學的性質從裡面提取宇宙的演化資訊。重子聲波振盪研究在2014年也獲得了邵逸夫獎。

從這裡不難看到，每一種研究方式都很重要。結合這些觀測，我們今天能瞭解宇宙能量組成：4%是大家比較熟悉的普通物質。普通物質就是你、我、他、太陽、黑洞，這些都可以叫做普通物質，你可以看得見摸得著。剩下的96%都是我們不知道的，分成兩部分，大概三分之二的是暗能量，剩下的是暗物質。

自從20世紀初設立諾貝爾物理獎以來，一百多次諾貝爾物理獎都頒給了這4%，大家可以猜測一下，還剩下96%的“諾貝爾獎”級研究工作等著我們去發現。

實際上，暗物質、暗能量方面的研究已經獲得了多次諾貝爾獎，CMB研究獲得過兩次，加速膨脹研究2011年獲得諾獎，引力波研究2017年獲得諾獎，還有今年非常重要的Peebles的研究也獲得了諾獎，他建立了一整套宇宙引力學的框架，如果沒有他，我們今天的宇宙學研究是很難展開的，他的工作奠定了基礎。

這就是我們今天所瞭解的宇宙演化歷史，基本上可以分為三部分，宇宙的開端。在這個階段宇宙的膨脹非常之迅速，是一個加速膨脹過程，就好像一個人在嬰兒階段生長是非常迅速的，在很短的時間之內從嬰兒變成了一個巨嬰。

中間這個過程宇宙在生長髮育，我們都知道有引力作用，在引力作用之下，時空的膨脹大家可以想像，應該是減速的，因為是相互的吸引作用，在這種作用之下，宇宙慢慢的膨脹，宇宙結構在慢慢的生長，就像樹苗一樣。

直到60億年前，宇宙不知為什麼又開始加速膨脹，而且是炸裂式的生長，我們至今不知道原因。有些科學家認為是由於有暗能量的存在導致的，但是暗能量是什麼我們並不知道，我們只能慢慢接近，利用我們今天的巡天觀測，去分析它的性質，探索它的本質。

宇宙應該分為這樣一些階段：大爆炸、之後的暴漲，非常急速的膨脹。然後宇宙當中有一段時間是黑暗時代，這段時間宇宙裡面沒有發光的東西，因為第一代恆星沒有形成，主要是氫。

大爆炸之後四億年左右，宇宙第一次被點亮，這是第一代恆星的形成，之後宇宙裡面有越來越多、越來越豐富的結構，恆星形成星系，星系形成星系團。

最近在60億年前左右宇宙又開始了加速膨脹階段，這也是我本人研究的主要方向。

宇宙加速膨脹階段

我們先從最開始談起，宇宙加速膨脹列幾個數字大家感受一下，10的負36次方秒之內宇宙膨脹了10的26次方倍，不是物質在膨脹，而是時空本身在膨脹。

由於宇宙的膨脹，溫度也從最開始的10的32次方度下降到了一千萬度，在此時的嬰兒宇宙裡面開始存在一些基本粒子、光子、電子等等。

宇宙光子是最重要的媒介，不管你是用什麼望遠鏡，光學望遠鏡、射電望遠鏡等，探測的都是光子，只是在不同的頻率上而已。

探測光子的頻率和微波爐的頻率是比較接近的，用來觀測在全天區當中不同溫度的漲落。

上圖中藍色可能是溫度低一些的，橙色的溫度高一些，看起來毫無規律，但正是這毫無規律的天圖，裡面蘊含著豐富的宇宙學資訊。

我們是如何知道宇宙有138億年呢？就是透過上圖。宇宙裡70%的暗能量，20%的暗物質怎麼知道的？也是透過這幅圖。

這裡講到一個偶然的發現：彭齊亞斯和威爾遜當時是貝爾實驗室的工程師，他們的工作是要降低射電天線的噪聲，當他們把裝置對準各個方向的時候，他們發現有一個噪聲永遠無法去掉，而且這個噪聲非常均勻，跟指向哪個方向並沒有關係。

而在同時代，不得不提到一位偉人，就是Peebles。Peeble當年提出一個理論，當時很多人認為宇宙是靜態的，Peebles則認為宇宙不是靜態的，並且開始了一次大爆炸，基於大爆炸殘存的噪聲這個訊號大概有多少呢？他發現大概是3K即零下270對應的能量標度。

當這彭齊亞斯和威爾遜發現了這個噪聲之後，他們馬上聯想到Peebles的這個工作，於是他們趕緊跑過去跟普林斯頓的科學家包括Peebles一起討論，看看是不是預言的訊號被我們發現了，最後，1978年彭齊亞斯和威爾遜獲得了諾貝爾獎。

光子在宇宙大爆炸38萬年之後變得自由，然後飛向我們，之後的宇宙就變的豐富多彩，在宇宙裡存在暗物質。什麼是暗物質呢？中午各位吃飯的時候可能吃了很多暗物質，它是物質，但是跟你沒有相互作用，但正是這些暗物質的存在，使得我們的宇宙裡面的結構可以形成。

我們透過數字模擬得到的宇宙形成演化。右圖為數字模擬，已經和我們今天觀測到的星系非常接近了，有各式各樣形態的星系，橢圓星系、漩渦星系等等。因此，暗物質理論能夠很好的滿足今天的觀測。

宇宙為什麼會加速膨脹

接下來就是我的研究領域，也是我們如今未知最困惑的一個方面，就是宇宙的膨脹或者宇宙的加速膨脹。

說起這個問題還要從從一位“牛人”說起，就是牛頓，牛頓與蘋果的故事可能大家都非常熟悉了，一個蘋果砸到了智慧的大腦，於是牛頓發現了萬有引力定律。他發現任何兩體之間的互相吸引，但是卻沒告訴我們為什麼，他只是發現了這個現象。

20世紀初，愛因斯坦建立了一個非常時髦的理論：相對論，當年沒有幾個人能理解。當愛因斯坦面對同樣現象的時候，卻陷入了深深的思考，他給出了一個完全不同的解釋，為什麼兩體之間能夠互相吸引呢？愛因斯坦認為是因為物質的存在會導致周圍時空的扭曲，物質告訴時空怎麼扭曲，時空反過來告訴物質怎麼去運動。

愛因斯坦得到相對論之後，他迫不及待的把它運用到宇宙的研究，當時他發現有兩個可能的解，一種情況就是宇宙要收縮，另外就是宇宙要膨脹。

這兩個解愛因斯坦都非常不滿意，因為沒有人希望我們有一天坍縮到起點，或者膨脹的四分五裂。於是愛因斯坦在想，我怎麼樣讓宇宙保持穩態，不膨脹也不收縮呢？

圖注：大家看著名的愛因斯坦方程被印到火車上，說明它當時是多麼的時尚多麼的流行

對方程我們不去深究，它的意思就是時空曲率等於物質分佈。物質分佈可能有吸引的作用，你可以想象一個收縮的時空比較容易理解，因為物質之間有吸引作用，愛因斯坦認為宇宙不可能膨脹，所以就把膨脹這個解給排除掉了。於是他想如果宇宙是收縮的可能我還有辦法，收縮是因為萬有引力，我為什麼不引入萬有斥力讓它不收縮呢？在1917年愛因斯坦創造性的在他的方程後邊加入了一項，宇宙學常數，也就是最早的暗能量模型。

得到這個方程之後，愛因斯坦非常興奮：我的宇宙終於完美的平靜下來，而且我的廣義相對論終於可以被完美的運用到宇宙上了。

但是時間沒過多久，1929年，英國的科學家哈勃發現宇宙根本不是靜態的，宇宙是在膨脹的，而且離我們越遠，它的膨脹速率越快，是一個正比關係，今天的宇宙還在不停的膨脹，跟距離成正比。

你可以想象愛因斯坦得知這個訊息的時候是什麼表情，他說了一句話，翻譯成中文就是“引入宇宙學常數是我一生犯的最大錯誤”，並且沒有之一，非常懊悔。

但是故事並沒有結束，1998年三位科學家利用超新星的研究發現：宇宙不僅在膨脹，而且還加速膨脹，大家想象一下當年愛因斯坦引入宇宙學常是為什麼？是為了讓宇宙不膨脹，他認為宇宙是收縮的，加入這個常數之後宇宙可以不膨脹。可是宇宙本來就是膨脹的，加入萬有斥力之後是不是膨脹的更快？所以愛因斯坦完全是從錯誤的出發點得出了正確的結論。

這就是為什麼你看98年的《Science》的雜誌封面愛因斯坦的表情非常的複雜，很驚喜也很懊悔，科學也許就是這樣。

加速膨脹研究在1998年就被列為十大科技進展之首。根據權威的一個國際機構暗能量特別工作組的報告介紹，認為暗能量的存在，說明我們今天對基本粒子或者引力理論的理解或者不正確，或者不完備，總之需要一場基礎物理的革命。

當然這是一個重大的機遇，我們今天生活在精確宇宙學的時代，我們有非常高質量的資料，可以從裡面提取暗能量的資訊，暗能量的方向也是美國十年規劃最高優先順序的研究方向，也是我們國家十三五重點突破的基礎前沿領域之首。

大規模星系巡天研究暗能量

研究暗能量有多種手段，我本人的研究就是利用大規模的星系巡天。

上圖是我們從望遠鏡裡面拍攝的部分的星系，每個點代表一個星系。我們就是利用類似一種人口普查的方式，對星系進行統計研究，叫做成團性分析。

根據測量得到的結果，發現在某一個特殊的尺度上，星系的對數非常多，我們用天文學的標度叫做100兆秒差距的這麼一個尺度上，有一個區域性的突起在那裡。

這個突起的位置非常重要，因為它來自早期宇宙的資訊，反過來就可以推測宇宙的年齡、宇宙的膨脹速率、宇宙的組分等等資訊。所以在宇宙學當中，我們把它叫做宇宙標準尺，也叫做重子聲波振盪，是非常重要的一個物理工具。

這張圖展示了另外一個非常重要的效應，叫做紅移畸變，它對於我們來說是一個訊號。

我們利用黑洞在空間中的三維分佈，去測量宇宙的膨脹歷史和結構增長曆史，這些東西可以幫助我們研究暗能量。利用星系巡天我們可以提取三部分最重要的資訊，對應三大科學目標：

第一個是重子聲波振盪，它探索的是宇宙膨脹歷史，對應暗能量的性質。

第二個是紅移畸變，因為宇宙結構增長是由引力做主導的，所以它可以研究引力的性質。

第三個是小尺度成團性可以幫助我們測量中微子質量。因為中微子絕對質量在地球上是很難研究的，你只能探測不同代的中微子質量的相對絕對平方差，但是宇宙學裡面你可以測量中微子絕對質量。因為如果中微子過多的話，中微子有很高的速度，它會使很多小的結構無法形成，這些研究也都是未來獲得諾貝爾獎、邵逸夫獎的研究方向。

回到暗能量，我們與合作組一起，測量了宇宙膨脹速率和結構增長率，可以測量一個非常關鍵的宇宙學的引數——暗能量的狀態方程。暗能量的所有性質體現在這麼一個方程或者一個函式上：

橫座標是時間，縱座標是狀態方程：暗能量的壓強和暗能量的密度之比。圖中畫了一條虛線，這是愛因斯坦在1917年預言的暗能量狀態方程，是嚴格等於負1的。很多年來大家把愛因斯坦的這個模型稱為標準宇宙暗能量模型，認為暗能量就是真空的能量，儘管有很多理論上的問題，但是大家也基本上廣泛接受了。

2017年我們利用最新的天文觀測，利用重子聲波振盪，紅移畸變等等，重建了暗能量隨視線的演化歷史，可以明顯看到它不是等於負1，不是一個常數，而是隨著時間而演化的。

藍色的部分就是我們得到的誤差，這個誤差比較大也足夠顯著。我相信隨著我們觀測能力的提高，我們會慢慢接近暗能量的本質。

沒有答案的暗能量研究

如果暗能量真的是個動力學，那意味著什麼？這可能是非常值得我們思考的一個問題，今天我是沒有答案的。

暗能量到底是什麼呢？它是一個宇宙學常數嗎？是真空的能量嗎？今天不能完全把它排除，但是看起來可能性並不是很大，有可能是一種未知的能量存在形式。

有沒有可能是一種引力的效應呢？任何理論可能都有適用範圍，比如牛頓力學到宇宙學尺度可能就不適用了，廣義相對論可以用到更大的尺度，那在更大更大的尺度上，是不是廣義相對論也需要修正呢？它是不是有暗能量的候選者呢？也有可能，也有人說暗能量是資訊，統統都有可能。

隨著我們觀測手段、觀測能力的提升，我們現在用的是SDSS 2。5米口徑的望遠鏡，已經探測了一百萬條星系的光譜，但是遠遠不夠，今年下半年開始DESI的合作專案，將基於一架更大的望遠鏡，要探測兩千萬條光譜。我們熟知的FAST射電望遠鏡，口徑500米，也會在非常高的精度上給我們提供線索。

卡爾·薩根曾說過，我們生活在宇宙當中可以說我們是非常孤獨的，我們是非常無知的甚至是有些傲慢的。但是不管怎麼樣能夠在廣袤的空間和無限的時間當中，大家一起共享一顆星球，共同研究宇宙，我想是我的榮幸。

宇宙為何會膨脹？這讓愛因斯坦非常“懊惱”！

相關文章