超新星爆發及宇宙加速膨脹
——2011年度諾貝爾物理學獎簡介

韓 鋒

（廣西河池學院物理與電子工程系 廣西 河池 546300）

2011年度的諾貝爾物理學獎授給了三位天體物理學家，以表彰他們在天體物理學方面的卓越成就：通過觀測超新星爆發，發現了宇宙的加速膨脹.這三位天體物理學家是美國加州大學伯克利分校的S·佩爾馬特（S.Perlmutter，圖1），他領導了1988年啟動的“超新星宇宙學項目”；澳大利亞國立大學的B·施密特（B.Schmidt，圖2），他領導了1994年啟動的“高紅移超新星研究組”；美國霍普金斯大學的A·里斯（A.Riess，圖3），他對有關觀測數據進行了系統分析.

圖1 S·佩爾馬特

圖2 B·施密特

圖3 A·里斯

1 愛因斯坦的靜態宇宙模型

當初，愛因斯坦設想的宇宙，應該是靜態的，而且是有限無邊的，有正的常曲率.它的二維類比就是球面，這樣的模型當然是最簡單的，而這才符合愛因斯坦心目中的美學理想.為了做到這一點，他在宇宙的引力場方程中加了一個含“宇宙常量”的項Λgμν，成為

因為如果沒有這一項，宇宙中物質之間的萬有引力會使得整個宇宙整體收縮而不穩定，代表斥力的這一項加進去，就可以抵消這種收縮而使其處于靜態.這一項被叫做宇宙項，Λ就叫做宇宙常量.

2 宇宙膨脹的發現

后來，蘇聯科學家弗里德曼（A.A.Friedmann）對愛因斯坦宇宙的引力場方程進行了理論分析，指出愛因斯坦設想的宇宙方程是不穩定的，引力場方程的解是動態的，要么膨脹，要么收縮.1927年美國天文學家哈勃（E.P.Hub ble）通過長期天文觀測，發現了河外星系的譜線紅移，根據多普勒效應，這種譜線紅移，說明宇宙在不斷膨脹.于是，愛因斯坦公開承認，他當初在方程中引入那個不等于零的宇宙常量Λ，是他一生中所犯的最大的一個錯誤.

事態的發展是戲劇性的.后來的大量觀測，包括2011年獲獎的這三位科學家的工作都發現，現在的宇宙不但是膨脹的，而且是加速膨脹的，這很出乎人們原來認為宇宙將逐漸減速的預料.或許，當初愛因斯坦引力場方程中的那個“宇宙項”還是加對了的，正是它代表的這個斥力，不但抵消了引力，還促使其加速膨脹.這樣看來，愛因斯坦當初真還沒有錯，方程有時候真的比創建它的人還要聰明！

那么，這一項背后的物質基礎是什么呢？很可能，它就是近年來被炒得沸沸揚揚的“暗能量”.人們發現，用現有的科學手段所能探測到的物質只占總量的很少一部分，還有約占總量的是“暗能量”，它使物質之間產生負壓強，是一種反引力 —— 斥力.這種強大的斥力足以使宇宙產生加速膨脹.至于這種“暗能量”究竟是什么，至今還不知道.

3 超新星爆發與宇宙加速膨脹

從超新星爆發怎么就能知道宇宙是加速膨脹的呢？

眾所周知，任何星體在其核燃料耗盡行將死亡之前的“回光返照”，就是超新星爆發.之后它將成為白矮星、中子星或者黑洞，視其剩余的質量大小而定.這三位天體物理學家觀測的是Ⅰa型超新星，因為它的亮度高度一致，所以可被用來作為測量星系距離的“標準燭光”.這種超新星是白矮星從其伴星中吸積物質到超過1.4個太陽質量（錢德拉塞卡極限）后發生的爆炸.超新星爆發在幾個星期內就迅速增亮到亮度很大的程度，然后在幾個月內逐漸消退，所以觀察還是很明顯的.

哈勃定律說，膨脹星系的退行速度與星系和我們的距離成正比，越遠的星系退行得越快.如此說來，一顆有確定亮度的超新星，如果距我們越近則看起來應該更亮，不料觀測的結果正好相反，距離約幾十億光年及更遠的超新星，看起來比預期的要暗得多（要暗20%到30%）.這意味著，它們處在比預期距離更遠的位置上.也就是說，宇宙膨脹是在加速的.

這三位天體物理學家從1988年開始觀測了大約50顆這樣的超新星爆發，證實了宇宙在加速膨脹的事實.下一步的工作，當然就是要解釋為什么會出現這種加速.可以預料，如果那設想中的“暗能量”和“暗物質”（暗物質約占物質總量的22%，表現為引力效應）一旦被發現，則必是下一個諾貝爾物理學獎的獲得者無疑.