首页 时事 民生 政务 教育 文化 科技 财富 体娱 健康 情感
更多
旅行 百科 职场 楼市 企业 乐活 学术 汽车 时尚 创业 美食 幽默 美体 文摘

科学阶梯丨暗能量简史

科技   2024-12-27 21:40   北京  
「编者按 」

一部部科学经典著作，犹如人类文明史上璀璨的里程碑，奠定了现代科学基石，铺就了人类进步的阶梯。为让更多读者感受科学魅力，北京市科学技术协会推出“科学阶梯”专栏，对科学经典著作进行深入诠释。

本期我们带来的是《4%的宇宙》，一起看看科学家们发现暗物质与暗能量存在的探索之路。

有时可以说，天文学是始于哲学的。抛开那些美丽的图片和复杂的数学公式，驱动天文学家思考的一些动机问题往往是这样的：“我们是孤独的吗？”“我们为什么在这里？”“宇宙是永恒的吗？”
20世纪80年代，当索尔·珀尔马特还是一名研究生的时候，最让他夜不能寐的正是宇宙的命运。

宇宙灯塔哈勃望远镜在近邻星系 NGC 4526中捕捉到了这颗Ia型超新星。这样的爆炸，多数发生在更遥远的地方，为暗能量的发现奠定了基础。

20世纪初，天文学家就已经知道宇宙在膨胀——但它会永远膨胀下去吗？还是说引力最终会把它拉回到一个大坍缩？当时并没有足够的数据能回答这些问题。
答案取决于宇宙的密度，其反映在空间本身的“形状”上。在一个闭合的宇宙中，密度是偏高的，星系之间的引力最终会使宇宙重新坍缩，把一切都再次聚集起来。在这样的宇宙中，平行线最终会相交。然而，在一个开放的宇宙中，由于没有足够的质量来阻止宇宙膨胀，星系之间的空间只会不断增长。在这样的宇宙中，平行线最终会散开。还有第三种可能：在平坦的宇宙中，平行线始终是平行的，宇宙中刚好有足够多的质量可以减缓宇宙膨胀，直至终止——但这需要无限的时间。
尽管理论认为宇宙确实是平坦的，但天文学家还没有观测到足够的物质来证明这一点。没有足够的物质，就没有足够的引力，膨胀将永远持续下去。因此，天文学家认为，精确测定物质的占比有助于匹配理论与观测，进而预测宇宙的未来。
为了解决这些重大问题，科学家研究了爆炸的白矮星，它们是Ia型超新星的前身。研究人员可以计算出这样一次事件的內禀亮度，通过与观测到的亮度作对比，从而推断出该事件的发生距离。将距离与超新星的宿主星系远离我们的速度（也就是红移）相结合，就可以揭示出那一时刻的膨胀速率。通过收集足够多的此类测量，天文学家可以看到膨胀速率在宇宙历史上是如何变化的，从而测算出物质的密度和宇宙的命运。

微妙的观测

筹划超新星的观测是很困难的。原因在于这种爆炸非常稀少，而且它们的位置不可预测。为了规避这些问题，两组科学家团队——由珀尔马特领衔创立的超新星宇宙学计划（SupernovaCosmology Project，简称SCP）和由布莱恩·施密特与尼古拉斯·桑泽夫领导的高红移超新星搜寻团队——巧妙地协调了世界各地几台望远镜的观测时间。这两个团队拍摄了几片天区，共计测量了数万个星系。几周后，他们又拍摄了同一天区的另一张照片。天文学家通过对比前后两次拍摄的照片，寻找那些之前不存在的光点。

光的消逝  Ia型超新星（如该图所示的SN 1997cj）的光，以一种特定的方式衰减（这种现象称为光变）。天文学家能够在超新星距离未知的情况下，根据光变确定它的內禀亮度。
然后，观测者们用其他的地面望远镜对新发现的光源进行跟进，最后再用哈勃望远镜进行观测。两个团队热切地致力于寻找尽可能多的可用超新星，彼此之间展开了一场激烈的竞赛。
亚当·里斯是高红移团队的一位天文学家，他帮助分析了当时获取到的数据。如果宇宙的膨胀会因众多星系之间的引力而减速，那么相对而言，遥远的超新星应该更加明亮。但这不是里斯发现的结果。相反，他发现遥远的超新星比预期的要暗很多——甚至比一个开放的宇宙预期的还要暗。
“我从计算机上得到的答案是‘宇宙具有’负质量。”他说，“现在来看，这是不合理的”。宇宙当然有质量，他认为，代码中一定存在某种错误。
或许，他无意中有了重大发现。
里斯给施密特发了一封电子邮件。它包含了一张超新星数据的图和一个简单的主题：“关于这个结果，你怎么看？”
“我只能想到他可能做错了什么，”施密特在2006年的一篇文章中回忆道。据他所知，珀尔马特的超新星宇宙学计划团队发现宇宙在减速膨胀。“和竞争对手得到不同的答案是一回事，得到一个不同而且疯狂的答案是另外一回事。”
与此同时，施密特并不知道，超新星宇宙学计划团队实际上也发现了同样奇怪的结果。
珀尔马特回忆说：“我们做了科学家该做的主要工作……97%的时间都在试图弄清楚自己哪里出错了。”他们检查了超新星的演化是否随着宇宙时间的变化而变化。他们检查了是否存在一种奇怪的“灰尘”，它无法被探测到，但会散射所有波段的光，使远处的超新星变暗。他们甚至检查了是否有星系改变了超新星的光线传播路径，从而使其变得更加暗淡。或者，也许真的只是代码的问题。
但是，如果数据没有问题，那么似乎只有两种可能：要么宇宙包含了负的质量（这显然是不对的），要么有种力量在抵抗引力，使宇宙以越来越快的速度膨胀。
有一种神秘的能量在抵抗引力的想法并不新鲜。阿尔伯特·爱因斯坦曾经提出，一个宇宙学常数（表示为lambda，Λ）可以使宇宙静止不动，防止它因自身的引力而坍缩。然而，当人们发现遥远的星系正在相互远离时，爱因斯坦放弃了这个想法。詹姆斯·皮伯斯在20世纪80年代再次启用了这个常数，以提高宇宙的能量密度，使空间变得平坦，即使在这种情况下物质密度看似很低。两个团队的数据表明，皮伯斯是对的。
然而，引入一种神秘而未知的能量不是一件小事。两个团队都想要确保结果的正确性。高红移团队的成员罗伯特·柯希纳在他的著作《奢华的宇宙》中回忆了他写的一封电子邮件：“我很担心……你可能需要一些Λ。感性上，你觉得这是错的；不过理性上，你不在乎，你只是在汇报观测结果。”

争辩、论证与结果

约二十多年之后，也就是现在，人们对接下来发生的事仍然没有明确的共识。但是，事情大概是这样发展的。
在1997年年底，珀尔马特和他的同事们向各个物理学相关部门的物理学家展示了他们的工作。出于谨慎，研究人员强调他们的结果只是初步的。但是在珀尔马特的一次报告结束时，物理学家乔尔·普里马克站了起来。他几乎无法控制自己，他向在场的每个人解释，这些结果是令人惊奇的，因为它们意味着存在一个宇宙学常数。
1998年1月，美国天文学会会议举办，这是天文学界最大的聚会之一。两个超新星团队都出席了本次会议，并讲述了一个类似的故事：我们的宇宙有较低的物质密度，将一直膨胀，直到永远。超新星宇宙学计划团队的成员阿里尔·古巴尔，在一份新闻稿中表示，如果来自超新星的结果成立，“天体物理学家可能不得不引入爱因斯坦的宇宙学常数”。
在同一场新闻发布会上，另一个由露丝·戴利和埃迪·格拉组成的团队，观察了有从核心喷射巨大喷流的星系。通过比较喷流的观测长度与预测的演化结果，研究人员计算了每个星系的距离。在1998年1月的新闻发布会上，他们表示，他们的数据显示宇宙不仅会永远膨胀，而且在加速膨胀。
其他支持性证据也在同一时期出现，比如当时也都在普林斯顿大学的妮塔·巴哈尔和樊晓晖关于星系团演化的工作，也表明宇宙中的物质密度较低。
在2月份的一个会议上，两个超新星团队再次相遇。会场里鸦雀无声，高红移超新星团队的阿列克塞·菲利彭科言简意赅地宣布，他们有证据表明宇宙中存在“斥力”——即我们今天所说的暗能量。
随之而来的是一片骚动，媒体涌入。在1998年5月的一个研讨会上，经投票，三分之二的科学家认为超新星为暗能量的存在提供了强有力的观测证据。这一发现被《科学》杂志评为年度突破，两个超新星团队的成员也因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。

随时间演化的宇宙 基于遥远的Ia型超新星和其他现象的观测，对宇宙膨胀历史的测量。图片显示我们的宇宙曾经有过一段时间是减速膨胀的，只是这种状态不是永久的。物质间的引力使得宇宙在大约前半段时间减速膨胀，然后暗能量占据主导，导致宇宙正在加速膨胀。

改变对宇宙的认识

回首过去，科学界如此急切地接受一种被称为暗能量的力量的存在，这似乎令人惊讶。即使在二十多年后的现在，我们仍然不知道它是什么。然而，在当时，两个高度竞争和极其缜密的研究团队之间结果的一致性让人们接受了暗能量存在的观点。“研究团队对数据和结果的处理都非常严谨。”里斯说。
在暗能量发现后不久，作为一种完全独立的方法，大爆炸余辉（也就是宇宙微波背景）同样证实了宇宙的低物质密度和暗能量的存在。另外，来自星系和超新星巡天的大量数据，以及关于星系团如何随时间演化的研究，都证实了暗能量占据了宇宙的三分之二以上。能量，而不是物质，主导了我们的宇宙和它的命运。
目前来看，宇宙的几何形状是平坦的，但这并不意味着宇宙会永远膨胀。因为暗能量及其演化都是未知的。宇宙可能会继续加速，或者，如果暗能量是可变的，它还可能会重新坍缩。
今天，暗能量仍然是天体物理学中最伟大的发现之一，也是最神秘的谜团之一。珀尔马特深知其中的问题所在。“这个结果的奇怪之处在于，我认为我们能够回答的所有问题，我们都没有回答。”他说，“所以我们仍然不知道宇宙是否长久，也不知道宇宙是否无限。”
这些问题将等待着下一代科学家们来回答。






科学经典推荐


《4%的宇宙》



《4%的宇宙》所描绘的，正是科学家们发现暗物质与暗能量存在的探索之路。

这些探索者未曾指望自己会发现新现象，他们并非有意在寻找暗物质，也未在寻找暗能量。但是随着证据越来越多、越来越好，科学家们达成一致共识：人类自文明之初一直在注视夜空，我们自以为了解宇宙，但这个宇宙其实只是客观存在物的影子。我们一直对实际的宇宙茫然不见，因为看上去它的组成比较简单，而这才是我们的宇宙——对它的探索才刚刚开始。

对暗物质和暗能量的探索还在进行，因此，书中所叙述的故事仍在现实中继续。


来源：“中国国家天文”公众号
撰文：费尔南德斯
北京科协
——根植首都地区的创新文化价值观察和科学叙事。致力于弘扬科学精神，传播科学方法，服务国际科技创新中心建设。
 最新文章
新年首个工作日，尹力、殷勇与专家座谈，共商北京“十五五”规划编制
首都科学讲堂预告丨我的父亲梁思礼：科学精神要一代代传下去
科学之光 | 欣赏获奖佳作，捕捉生活中的“科学之光”
科学人生绘 | 生物学家叶盛的跨界探索
首都工程师丨潘剑锋：用“冰刃”守护网络安全
千人进千企丨让建筑幕墙检测“有声有色”
“重走”科学大师的发现之路，北京科学中心“科学再发现”主题展开幕
“科学流言榜” | 2024年12月榜单发布，这些流言上榜→
点亮强国路上的科技之光——细数习近平主席二〇二五年新年贺词中的科技关键词
科协之声丨为传统节日增添“科味儿”
“北京科协”内容升级焕新，这些栏目值得关注→
科学阶梯 | 科学的社会功能是什么？
2025科学跨年之夜 | 嘉宾名单来啦！
2025科学跨年之夜 | High到尖叫的新年第一堂科普课，快快带娃玩起来！
北京市科协祝首都科技工作者新年快乐
北京市科协主席李静海2025年新年贺词
科技部发布2023年度全国科普统计数据
@最重要的您，北京科协政务新媒体平台诚邀您参与满意度调查
国家主席习近平发表二〇二五年新年贺词
首都科技人 | “首都科技人”系列宣传精彩来袭，一起见证他们的科学故事
科学人生绘 | 食品安全专家朱雨辰：探寻舌尖上的科学与生活哲学
2025科学跨年之夜 | 来一场说走就走的科技探访之旅
“科学”流言求真榜十周年系列活动举办，新闻媒体深度报道
市委常委会召开会议，传达学习习近平总书记重要指示精神，听取市人大常委会党组、市政府党组、市政协党组等工作汇报
早间时评 | 提升科学素质 赋能共同发展
2025科学跨年之夜 前来报到啦！
三城一区 | 怀柔打造科学家钟爱的“一生之城”
“智止流言 探求真知”——“科学”流言求真榜十周年发布活动举办，粉碎十大“科学”流言
北京市将打造细胞与基因治疗产业集群
科技视野丨“5倍声速”搭上“星链”，高超声速无人机时代拉开序幕？
学习贯彻党的二十届三中全会精神丨切实掌握进一步全面深化改革的科学方法论
一周科技丨新修订的《中华人民共和国科学技术普及法》开始施行；2025年全国两会召开日期确定
学习贯彻党的二十届三中全会精神丨让创新与产业互促发展
中国科技期刊影响力不断攀升，目标指向“世界一流”
北京市2024年全国科普日工作总结座谈会召开
科学阶梯丨暗能量简史
2024年“首都科学传播优秀案例”发布
科普法修订：以法律回应时代之变
首都科学讲堂预告丨 “微末之处”有乾坤——纳米科技创新与医学应用
2025科学跨年丨系列活动期待您的参与
60项“典赞时刻·2024首都科普”年度榜单发布！
领创北京丨唤醒古籍
全文来了！新修订的《中华人民共和国科学技术普及法》
科学技术普及法完成首次修订，这些看点值得关注
早间时评丨推动传统产业改造升级 加快发展新质生产力
朱光亚对中国特色社会主义群团事业的贡献
北京科幻产业总产值占全国三分之一
科学阶梯丨熵究竟是什么？它可能是物理学中最具争议的概念
尹力、殷勇到朝阳区调研，深入走访企业，要求坚定信心、真抓实干，大力推动经济高质量发展
2025年全国两会召开日期来了
 分类
时事
民生
政务
教育
文化
科技
财富
体娱
健康
情感
旅行
百科
职场
楼市
企业
乐活
学术
汽车
时尚
创业
美食
幽默
美体
文摘
 原创标签
时事 社会 财经 军事 教育 体育 科技 汽车 科学 房产 搞笑 综艺 明星 音乐 动漫 游戏 时尚 健康 旅游 美食 生活 摄影 宠物 职场 育儿 情感 小说 曲艺 文化 历史 三农 文学 娱乐 电影 视频 图片 新闻 宗教 电视剧 纪录片 广告创意 壁纸头像 心灵鸡汤 星座命理 教育培训 艺术文化 金融财经 健康医疗 美妆时尚 餐饮美食 母婴育儿 社会新闻 工业农业 时事政治 星座占卜 幽默笑话 独立短篇 连载作品 文化历史 科技互联网
 发布位置
广东 北京 山东 江苏 河南 浙江 山西 福建 河北 上海 四川 陕西 湖南 安徽 湖北 内蒙古 江西 云南 广西 甘肃 辽宁 黑龙江 贵州 新疆 重庆 吉林 天津 海南 青海 宁夏 西藏 香港 澳门 台湾 美国 加拿大 澳大利亚 日本 新加坡 英国 西班牙 新西兰 韩国 泰国 法国 德国 意大利 缅甸 菲律宾 马来西亚 越南 荷兰 柬埔寨 俄罗斯 巴西 智利 卢森堡 芬兰 瑞典 比利时 瑞士 土耳其 斐济 挪威 朝鲜 尼日利亚 阿根廷 匈牙利 爱尔兰 印度 老挝 葡萄牙 乌克兰 印度尼西亚 哈萨克斯坦 塔吉克斯坦 希腊 南非 蒙古 奥地利 肯尼亚 加纳 丹麦 津巴布韦 埃及 坦桑尼亚 捷克 阿联酋 安哥拉