第一章 爆炸的恒星

“真正不平凡的是我們正在使用物理的量度來回答深?yuàn)W的哲學(xué)問題。”

——索爾·珀?duì)栺R特

索爾·珀?duì)栺R特坐在俯視圣弗朗西斯科灣的伯克利山高處他的辦公室中，注視著金門大橋下的落日。太陽越來越紅，它的外形分層為一片片的長方形狀，它們接著慢慢地消失在藍(lán)灰色的太平洋遠(yuǎn)處，真是無比壯觀的景象。他懂得為什么落日會(huì)是紅的，為什么天空會(huì)是藍(lán)的——索爾·珀?duì)栺R特是一位天體物理學(xué)家。現(xiàn)在，恰恰正是這個(gè)地球上如此普通并且千百萬人每天從山頂或沙灘，或從摩天大樓頂上的飯店觀察得到的現(xiàn)象，使他感到困惑，他不清楚這個(gè)現(xiàn)象對(duì)他看到的宇宙那一邊那些爆炸的星球意味著什么。

10年來，索爾·珀?duì)栺R特指揮著他的總部設(shè)在位于隔著金門大橋的對(duì)面山上的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的一組天文學(xué)家進(jìn)行一種艱難的嘗試。利用最先進(jìn)的射電望遠(yuǎn)鏡，在夏威夷、智利以及在太空，天文學(xué)家們一直在搜集遙遠(yuǎn)星系的電子圖像，一次采集幾千個(gè)星系，然后與3個(gè)星期后采集的這些星系的圖像做比較。天文學(xué)家們在尋找這些非常遙遠(yuǎn)的星系中爆炸的恒星，一次爆炸會(huì)在星系的照片（實(shí)際上是電子圖像）上出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)明亮的光點(diǎn)，而在3個(gè)星期前的圖像上則沒有這個(gè)亮點(diǎn)。這些科學(xué)家們并不是在搜尋普通的爆炸，他們正在尋找Ia型超新星——宇宙中曾觀察到的最巨大的爆炸之一。

在公元1054年，中國天文學(xué)家記錄了一個(gè)“客星”，它突然出現(xiàn)在金牛座的一個(gè)長角的尖端——我們今天稱為金牛座ζ星（Zeta Tauri）——的近旁。在一個(gè)月內(nèi)，這個(gè)“客星”消失了，但是留下了星云，今天使用中等倍率的望遠(yuǎn)鏡可以觀察到。這個(gè)暗淡的類云狀的物體用M1表示，或因其模糊不清的外形而稱為蟹狀星云（Crab Nebula）。蟹狀星云是一顆古代的恒星爆炸后留下的氣體和微塵組成的巨大云團(tuán)，并且此后一直向周圍的空間膨脹著。在星云的中心存有恒星坍縮而成的核——中子星，它每隔幾分之一秒發(fā)生脈動(dòng)向空間發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，它是一顆脈沖星（pulsar）。“客星”根本不是恒星，中國人所觀察到的是來自一顆恒星的爆炸的強(qiáng)光，這顆星如此遙遠(yuǎn)以致在明亮的爆炸之前無法發(fā)現(xiàn)它。這樣的爆炸稱為超新星（supernova）。

nova這個(gè)詞意味著新，而一顆“新星”——一顆不可見的恒星的突然增亮——被認(rèn)為是一個(gè)新的星體的誕生。當(dāng)白矮星（恒星死亡的一種形式）吸引來自繞軌道運(yùn)行的伴星的物質(zhì)并增亮到使它短暫地可見的水平時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這種突然增亮的現(xiàn)象。超新星的出現(xiàn)則明亮得多，我們知道它是由恒星的爆炸引起的。具有諷刺意味的是，它標(biāo)志著一顆恒星的死亡而不是它的誕生。1987年，現(xiàn)代天文學(xué)家在南半球觀測到一顆超新星，他們的研究成果教會(huì)我們許多關(guān)于這些在夜空中發(fā)生的神秘爆炸的知識(shí)。超新星在前3個(gè)世紀(jì)中曾被天文學(xué)家們觀測到，但是，1987年的爆炸則是第一次可以用肉眼看到的爆炸。這是一顆Ⅱ型的超新星。

當(dāng)一顆質(zhì)量比太陽還巨大得多的恒星經(jīng)過氫轉(zhuǎn)化為氦，氦轉(zhuǎn)化為碳的過程，并且后面的那種使它像一顆亮星那樣燃燒的核反應(yīng)耗盡所有的燃料時(shí)，這顆恒星自身不再能抵擋住引力的坍縮。當(dāng)它在自身的重量下向內(nèi)倒坍時(shí)，恒星發(fā)生驚人的爆炸。這種爆炸稱為Ⅱ型超新星。然后，根據(jù)它的大小，恒星的殘留將變成叫做中子星的死亡的致密體（其中普通的質(zhì)子和電子不再能共存，它們?nèi)酆显谝黄鹦纬芍凶樱蛘摺诤阈歉鼮榫薮蟮那樾蜗隆诙矗@是宇宙中最異乎尋常的物體。在后面的這種情形下，物體是如此的致密，并且它的引力產(chǎn)生的拉力如此巨大，以致即使是光也無法從中逃逸。

但是，索爾·珀?duì)栺R特和他的同事們在他們探索宇宙的征程中所研究的超新星是全然不同的一種爆炸。這種爆炸可以正確地叫做超超新星，雖然科學(xué)家們簡單地稱它們?yōu)镮a型超新星。Ia型超新星的亮度是“普通的”超新星的6倍。在可見的光輻射的范圍內(nèi)，這種爆炸是在空間觀測到的最明亮的現(xiàn)象。白矮星是與我們的太陽相同類型的恒星死亡以后的殘留物（太陽本身再過50億年當(dāng)它耗盡自身的核燃料時(shí)，也會(huì)變成一顆白矮星），當(dāng)白矮星開始聚集，從附近的伴星，即相互繞軌道運(yùn)行的星體降落到它上面的物質(zhì)后，會(huì)出現(xiàn)Ia型超新星。一旦聚集到的物質(zhì)使白矮星的質(zhì)量膨脹到大約我們的太陽的質(zhì)量的1.4倍時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)突然的、無與倫比的猛烈爆炸。在這種類型的超新星中，從爆炸的白矮星拋射到空間的物質(zhì)可達(dá)到接近于幾分之一光速的速度。

Ia型超新星的亮度使它幾乎像整個(gè)星系那樣燦爛。爆炸是巨大的并且可以根據(jù)它的特征清楚地確定。正因?yàn)楹竺孢@個(gè)性質(zhì)，尋找這樣的超新星已經(jīng)成為有興趣于測量遙遠(yuǎn)星系的退行距離和速度的天文學(xué)家們的急切目標(biāo)。這些爆炸的星體就像天空中的信標(biāo)。它們的相對(duì)亮度可以告訴天文學(xué)家，這些星所在的星系離地球有多遠(yuǎn)，相對(duì)亮度指觀測到的亮度與如果爆炸發(fā)生在附近（在我們所屬的銀河系內(nèi)）我們會(huì)觀測到的亮度的比值。

天文學(xué)家也能夠通過測量遙遠(yuǎn)星系的紅移估計(jì)它們的退行速度。紅移是光射線在它的光源離觀察者退行時(shí)產(chǎn)生的波長的增加。這個(gè)現(xiàn)象的原理是日常生活中熟悉的多普勒效應(yīng)（Doppler effect）——例如，當(dāng)高速行進(jìn)的火車經(jīng)過觀察者時(shí)聲波的音高發(fā)生變化。在光中，頻率發(fā)生類似的變化：當(dāng)光源離開觀察者退行時(shí)，光射線的波長增加，也就是說，向著光譜的紅端移動(dòng)；而當(dāng)光源趨近觀察者時(shí)，波長減小，也就是說，向著光譜的藍(lán)端移動(dòng)。這種普遍的向光譜的紅端移動(dòng)的狀態(tài)，也即天文學(xué)家們所稱的紅移，是由于宇宙的膨脹引起的，紅移是埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)的。哈勃定律說：星系離我們越遠(yuǎn)，它離我們退行得越快。

到了1999年春天，珀?duì)栺R特小組已經(jīng)積累了80個(gè)Ia型超新星的資料，這些超新星出現(xiàn)在比哈勃及其后繼者觀測到的要遠(yuǎn)得多的星系中。這些爆炸的恒星全都在其光線要經(jīng)過大約70億年后才能到達(dá)地球的星系中。任何一個(gè)星系，在它的幾十億個(gè)星體中，大約一個(gè)世紀(jì)才出現(xiàn)一顆Ia型超新星。那么，珀?duì)栺R特小組如何能夠得到80個(gè)這樣的圖像呢？小組的成功歸功于珀?duì)栺R特聰明的搜尋技巧。

即使出現(xiàn)率是如此的低，概率論卻斷言：如果我們能夠觀測足夠多的星系，那么在任何指定的時(shí)刻我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些白矮星中某些正在爆炸。因此，在同時(shí)觀測的幾萬個(gè)星系中，總有幾個(gè)超新星被探測到。對(duì)外層空間的同一區(qū)域連續(xù)兩次觀測之間相隔3個(gè)星期的做法，也是為了這個(gè)目的。Ia型超新星增亮大約有18天，然后下一個(gè)月中逐漸減亮。由于時(shí)間膨脹（狹義相對(duì)論的一個(gè)結(jié)果，因?yàn)檫@些星系以1/2的光速離我們退行），在地球上的我們看來，似乎是超新星在3個(gè)星期中經(jīng)歷了大部分的增亮過程。因此，在3個(gè)星期的時(shí)間間隔內(nèi)觀測遙遠(yuǎn)的星系，就使天文學(xué)家們能夠“捕獲”和研究在兩次采集電子圖像之間的時(shí)間間隔中出現(xiàn)的超新星。

但是現(xiàn)在，從他在海灣上方的窗口看著正在消失的太陽和滾動(dòng)著經(jīng)過金門大橋的霧氣，珀?duì)栺R特感到苦惱。有些事情他完全不理解。自從20世紀(jì)20年代大爆炸理論被提出以解釋宇宙的膨脹以來，已經(jīng)出現(xiàn)各種各樣的理論解釋過去發(fā)生的現(xiàn)象以及它們是怎樣發(fā)生的，并且對(duì)宇宙的未來提出了預(yù)見。愛因斯坦的方程預(yù)示了幾種設(shè)想。

第一種設(shè)想，宇宙可能是封閉的。在這種情形下，宇宙膨脹最終會(huì)停止，并且由于宇宙中所有物質(zhì)互相間的引力吸引，宇宙開始向內(nèi)部坍縮；第二種設(shè)想，宇宙可能減慢它的膨脹直至達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)并保持這種狀態(tài)。天文學(xué)家以及大部分公眾似乎贊同第一種設(shè)想。從哲學(xué)的角度看，其中有些可以使人得到安慰的信念：縱然太陽從現(xiàn)在起再過大約50億年后會(huì)死亡，但是在非常非常遙遠(yuǎn)的將來的某一天，宇宙可能重新開始坍縮，并且很可能——在完成一次完整的大爆炸重生和大坍縮的循環(huán)后——在新的大爆炸中重新爆炸，這可能創(chuàng)造出一個(gè)新的地球和重新誕生生命。

逐漸減慢趨于穩(wěn)定狀態(tài)的膨脹在科學(xué)上很少被贊同，而只是被看做一種可能性。如果宇宙中的質(zhì)量恰好大到能終止膨脹，但所產(chǎn)生的引力還不足以使萬物再次退聚在一起，那么就會(huì)出現(xiàn)這種情形。

只有極少數(shù)科學(xué)家相信還有第三種選擇——宇宙膨脹將永遠(yuǎn)繼續(xù)下去。實(shí)際上還沒有人想象過下面這件難以置信的事：宇宙的膨脹速度竟然會(huì)變快。然而，珀?duì)栺R特不能無視他積累的資料向他披露的事情，他認(rèn)真地考慮著這種沒料想過的可能性。遙遠(yuǎn)的超新星——連同它們所在的星系——正以慢于預(yù)料中的速度離地球而遠(yuǎn)去。這些速度慢于更鄰近處的星系的退行速度。他斷定這只能意味著一件事情：宇宙正在加快它的膨脹。

這個(gè)使人困惑的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的原因并不是顯而易見的。它需要解決關(guān)于時(shí)間的概念。下面是一種簡明的解釋，其中省略了某些細(xì)節(jié)。當(dāng)天文學(xué)家觀測一個(gè)有70億光年遠(yuǎn)的星系時(shí)，他或她正看到的是光線離開它射向我們時(shí)的那個(gè)星系，也即70億年前的星系。因此，從觀測到的它的紅移計(jì)算出的星系的速度是70億年前離我們而去的速度。類似的，10億光年遠(yuǎn)的星系的退行速度是10億年前膨脹的速度。現(xiàn)在，如果遠(yuǎn)處的星系以比近處的星系慢的速度離我們而去，那么70億年以前的退行速度——宇宙膨脹的速度——就慢于10億年前宇宙膨脹的速度。換句話說，宇宙正在加快它的膨脹。

珀?duì)栺R特感到迷惑。早些年里他已經(jīng)開展這整個(gè)計(jì)劃，希望能測量出宇宙的減速——他從未真正地想到過我們的宇宙一直在加速膨脹。關(guān)于這樣一個(gè)結(jié)論有些東西很讓人煩惱。這時(shí)珀?duì)栺R特開始思考他正注視著的日落，日落是紅的，天空是藍(lán)的——這是每個(gè)剛開始學(xué)習(xí)物理的學(xué)生都會(huì)述說的瑞利（Rayleigh）藍(lán)天定律。大氣層按光的頻率不同程度地吸收光的白光譜。紅色光，由于它的低頻率和長波長，比藍(lán)色光更容易通過塵埃和空氣粒子。珀?duì)栺R特是一位細(xì)心的科學(xué)家，而每一位科學(xué)家都必須提防數(shù)據(jù)中可能發(fā)生的錯(cuò)誤。對(duì)于一個(gè)準(zhǔn)備作出一個(gè)關(guān)于宇宙的重大結(jié)論——也許是將近70年前哈勃的發(fā)現(xiàn)以來天文學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)——的科學(xué)家而言，尤應(yīng)如此。

這里使索爾·珀?duì)栺R特感到困惑不解的是他的數(shù)據(jù)的一個(gè)明顯異常的特征。之前他曾抱有一點(diǎn)希望，希望他的數(shù)據(jù)是由于通常的觀測誤差而摻雜訛誤。他的小組一直在觀測的遙遠(yuǎn)的星系中應(yīng)該有某些塵埃，類似于我們在自己的銀河中發(fā)現(xiàn)的那種塵埃。這些塵埃可能會(huì)使他的小組一直在觀測的古老的爆炸中的恒星像日落一樣呈現(xiàn)紅色——然而超新星卻是整個(gè)可見光譜發(fā)亮（紅移沒有計(jì)算在內(nèi)——它使星的光譜中所有的譜線均勻地移動(dòng)）。這個(gè)現(xiàn)象告訴珀?duì)栺R特，在地球上的觀測者和他們的那些距大爆炸的年代一半遠(yuǎn)的時(shí)候的爆炸的恒星之間，幾乎沒有或甚至沒有塵埃，因此觀測的質(zhì)量特別地高。必須相信數(shù)據(jù)告訴他的——宇宙正在越來越快地膨脹。而這意味著一個(gè)令人震驚的發(fā)現(xiàn)：我們的宇宙是無限的。

“想象一個(gè)三維的點(diǎn)陣，”珀?duì)栺R特在他宣布他的小組的不尋常的發(fā)現(xiàn)后不久對(duì)我說，“在每個(gè)角落有一個(gè)星系。現(xiàn)在想象點(diǎn)陣正在變大。從我們的角落，即我們的星系，到這個(gè)點(diǎn)陣的所有其他的角落的距離不斷增加著。”增長的速度——在每個(gè)角落和它的相鄰角落之間正以這個(gè)速度形成空間——正在加快。由于空間正被越來越快地形成，無法制止，因此它將永遠(yuǎn)不斷地膨脹下去。我們的宇宙將膨脹至無限。10億年后，我們與遙遠(yuǎn)星系的距離將會(huì)更遠(yuǎn)，而在下一個(gè)10億年中，距離的增加比第一個(gè)10億年中還要多，如此不斷以至永遠(yuǎn)。

數(shù)據(jù)看來沒有錯(cuò)誤，信息是清楚的，是向全人類宣布這個(gè)消息的時(shí)候了。1998年1月，在美國天文學(xué)家學(xué)會(huì)的會(huì)議上消息被宣布了。全世界被震驚了。人們期待的絕不是一個(gè)無限的、越來越快地膨脹的宇宙。甚至許多科學(xué)家曾暗地里希望有一個(gè)自我更新的宇宙，爆炸和坍縮交替發(fā)生——一座經(jīng)歷季節(jié)變化的宇宙花園。但看上去不是這樣，宇宙注定要膨脹并凋亡。恒星將走完它們的生命歷程，爆炸成超新星或?qū)⑺鼈兊臍怏w外層拋了出去形成行星狀星云。在我們的星系中，新的恒星從死亡的恒星的殘留物中誕生，而垂死的恒星內(nèi)部產(chǎn)生的豐富多樣的化學(xué)元素正是使生命得以演化的東西。但是，如果膨脹必定會(huì)繼續(xù)下去，并且空間的密度變小，那么在億萬年之后，宇宙最終將會(huì)是一個(gè)充滿中子星和黑洞的星球墓地。

使科學(xué)家們困惑的是這樣的問題：為什么？這個(gè)前所未有的新發(fā)現(xiàn)的解釋是什么？答案似乎是宇宙中還有另一種神秘的力——從未被直接地觀測到的某種東西。這種物理學(xué)家稱之為負(fù)壓力或真空能量或就稱為“有趣的能量”的東西，反作用于起吸引作用的引力。有某種東西正在推開這些星系——加速它們相互之間的退離。

在1998年1月珀?duì)栺R特宣布他的小組的令人震驚的結(jié)果的會(huì)議上，另一些科學(xué)家提出了基于不同分析方法的研究結(jié)果具有同樣的使人困惑的推斷。普林斯頓大學(xué)的天文學(xué)家內(nèi)塔·巴考爾和范曉輝，他們研究距離地球70億光年的巨大的星系團(tuán)，宣布了也可以隱含宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹的結(jié)果。根據(jù)使用三種不同技術(shù)對(duì)星系團(tuán)質(zhì)量密度的研究，內(nèi)塔·巴考爾和她的同事們發(fā)現(xiàn)我們生活在一個(gè)小質(zhì)量的宇宙中。他們所有的研究獨(dú)立地表明，宇宙的質(zhì)量密度大概只有為完成從坍縮到新的大爆炸所需要的質(zhì)量密度的20%。

也在普林斯頓大學(xué)的埃里克·格拉（Erick Guerra）和魯思·戴利（Ruth Daly）通過對(duì)14個(gè)射電星系的研究，得到了類似的結(jié)果。他們的分析再一次指出，宇宙的質(zhì)量可能小于為在遙遠(yuǎn)將來的某一天終止膨脹而需要的質(zhì)量。所有這些在這次會(huì)議上提出的研究結(jié)果，使一個(gè)很久以來被擱置在歷史的廢物箱中卻又使人難以忘懷的科學(xué)概念重獲新生。

* * * *

宇宙學(xué)家和天文學(xué)家們在芝加哥附近的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）召開了一次緊急會(huì)議討論這個(gè)新結(jié)果。1998年5月4日的這次會(huì)議是由現(xiàn)在在普林斯頓大學(xué)的一位聲名顯赫的年輕宇宙學(xué)家保羅·斯坦哈特組織的。來自世界各地的茫然不知所措的科學(xué)家們聚集在芝加哥，討論所報(bào)道的宇宙的加速膨脹以及宇宙包含的質(zhì)量可能太少這個(gè)事實(shí)。方程能不能適合這些新數(shù)據(jù)以解釋它們？愛因斯坦的引力場方程是科學(xué)家們用于這個(gè)目的的當(dāng)然工具。但是它不能解釋膨脹的加速——除非把過去的一個(gè)項(xiàng)加回到愛因斯坦的方程中去，這個(gè)項(xiàng)很久以前被方程的發(fā)現(xiàn)人丟棄，并且此后被稱為“愛因斯坦最大的錯(cuò)誤”。宇宙常數(shù)回來了。