【默默:,解读2011年诺贝尔物理学奖:宇宙如何膨胀?】解读诺贝尔物理学奖
时间：2019-04-09 03:27:41 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
2011年，瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖颁发给美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔·波尔马特、美国/澳大利亚布莱恩·施密特以及美国科学家亚当·里斯，以表彰他们“通过超新星发现宇宙的加速膨胀”，有助于人类更多地了解宇宙扩张的秘密。
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超新星（即大质量恒星）爆炸的概念是1934年由茨维基和巴德提出的。他们猜测，当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后发生爆炸，其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度。茨维基和巴德也观测到了一些超新星。
宇宙中其实有两种不同的超新星：一种是茨维基最早提出的核塌缩超新星，另一种其爆炸机理不同，现在一般认为是白矮星（质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星）从其伴星中吸积（吸积是围绕年轻恒星的星盘入面的碎片渐渐变大，最后形成行星的过程;即是天体通过引力“吸引”和“积累”周围物质的过程）物质，到一定程度后再发生核爆炸。但有趣的是，茨维基和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们未曾想到过的类型，他们把这种发生爆炸的白矮星称为“Ia型超新星”。
延 伸 阅 读 超新星爆炸吞噬宇宙尘埃
科学家们新发现超新星爆炸会吞噬尘埃，与人们此前认为的宇宙尘埃是由超新星爆炸产生的想法截然相反。
宇宙中存在着很多尘埃。许多年来，科学家们都认为这些尘埃是由超新星爆炸产生的。近几年来的一些天文观测及图片显示，改变了科学家们的看法。
近几年来，科学家们一直在观测围绕超新星的涡状的尘埃层，发现超新星具有周期性爆炸的特点。最近拍摄的一张图片显示，超新星周围的尘埃在新星爆炸后几乎消失殆尽。
2006年2月，超新星RS Ophiuchi (RS Oph)“诞生”了，这给科学家研究超新星爆炸与尘埃间的关系提供了绝好的机会。超新星RS Ophiuchi是双星系体，其中的白矮星每隔20年左右就会从其红色的巨型伴星那里积聚足够多的物质，促成一次热核爆炸，这种爆炸使其亮度由非常暗的12.5等左右增加到5等。
科学家们聚集在夏威夷茂纳基亚山的天文台，利用凯克望远镜对RS Ophiuchi的这次爆炸进行了观测。他们在观测过程中惊异地发现，该新星爆炸后，尘埃并没有出现在其周围的光亮区域，而是出现在爆炸波浪并未触及的更远位置。研究人员据此分析，超新星爆炸使周围的尘埃粒子消失，而外层的尘埃应该是在爆炸之前就早存在的，它们因为远离爆炸新星而未被吞噬。
美国宇航局天文学家理查德·巴里称：“天文学家们曾经一度认为超新星等恒星的爆炸产生了尘埃，可事实不是这样。”
（据2008年1月29日美国太空网报道）
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尽管超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微弱的一点。如何寻找超新星？这意味着研究团队必须彻查整个天空，寻找遥远的超新星。诀窍就在于，比较同样的一小块天空，拍摄于不同时间的两张照片。这一小块天空的大小，就相当于伸直手臂时看到的指甲盖大小。第一张照片必须在新月之后拍摄，第二张照片则要在3个星期之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。
两张照片比对，如果能够从中发现一个小小光点，即CCD图像中的一个像素——这有可能就是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。只有距离超过可观测宇宙半径1/3的超新星才是可用的。这样做是为了消除近距离星系自身运动而带来的干扰。两个研究小组总共观测了约50颗遥远的“Ia型超新星”，并于1998年得到了一致的结论：宇宙的膨胀速度不是恒定的，也不是越来越慢，而是不断加快。
延 伸 阅 读 宇宙在膨胀
“有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰……”
宇宙最终的命运是什么？或许它将终结于寒冰，如果我们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的话。他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为“超新星”（supernova）的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。
即便是对这些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象，就好比把一个小球抛向了空中，却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。
宇宙的这种加速度膨胀暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。这种所谓的“暗能量”（dark energy）占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。所以，难怪当两个不同的研究团队在1998年公布相似的结果时，宇宙学的根基被撼动了。
索尔·佩尔穆特（Saul Perlmutter）领导着其中一个团队，即1988年启动的“超新星宇宙学项目”（Supernova Cosmology Project）。布莱恩·施密特（Brian Schmidt）领导着另一个团队，即1994年启动的“高红移超新星研究组”（High-z Supernova Search Team）展开竞争，亚当·里斯（Adam Riess）在其中起到了至关重要的作用。
两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星，展开了绘制宇宙“地图”的竞赛。科学家希望能够通过确定这些超新星的距离和它们离我们而去的速度，揭开我们宇宙的最终命运。他们本来以为，自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象，这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果，他们发现了完全相反的事实——宇宙膨胀正在加速。
天文学发现颠覆我们对于宇宙的观点，这已经不是第一次了。早在100年前，人们还认为宇宙是一个宁静的所在，比我们的银河系大不了多少。宇宙学时钟可靠而又稳定地滴答作响，记录着时间的平稳流逝，而宇宙本身则是永恒的，无始无终。但没过多久，一种颠覆性的红移改变了人们的这种观点。
20世纪初，美国天文学家汉丽埃塔·斯万·勒维特（Henrietta Swan Leavitt）发现了一种测量遥远恒星距离的方法。当时，女性天文学家没有接触大型望远镜的资格，但她们被天文台雇佣，从事分析照相底板的繁重工作。勒维特研究了上千颗被称为造父变星（Cepheid）的脉动变星，发现越明亮的造父变星，脉动的周期也越长。利用这样的信息，勒维特能够计算出造父变星自身的亮度。 只要有一颗造父变星的距离是已知的，其他造父变星的距离就可以推算出来——恒星的光显得越暗，它的距离就越远。一种可靠的标准烛光就这样诞生了，直到今天，它们仍是宇宙距离标尺上的第一个标记。利用这些造父变星，天文学家很快就得出结论——银河系只是宇宙中许多星系中普普通通的一个。20世纪20年代，美国加利福尼亚威尔逊山上，当时世界上最大的望远镜投入了使用，这让天文学家能够证明，几乎所有星系都在远离我们而去。他们研究的是一种叫做“红移”（redshift）的现象，当光源远离我们而去时就会出现。光的波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。天文学家得出的结论是，星系不光在离我们而去，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律（Hubble’s law）。宇宙正在膨胀。
（2011年10月5日果壳网编译报道）
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是什么在加速宇宙膨胀？这种神秘力量被称为暗能量，它向物理学提出了一大挑战，科学家虽然提出了若干想法，但至今无人能够破解这一谜题。宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。这种所谓的“暗能量”（dark energy）占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许是今天的物理学面临的最大谜题。
宇宙的组成部分，除去上文所说的暗能量，还有我们人类所在的这个星球这样的常规物质之外的另一个组成部分——暗物质。暗物质是我们未知的宇宙中的另一个迄今未解的谜题。与暗能量一样，暗物质也是不可见的。对于这两样东西，我们只知道它们发挥的作用—— 一个是推，另一个是拉。名字前面那个“暗”字，是它们唯一的共同点。
延 伸 阅 读 宇宙可能没有暗物质和暗能量
英国科学家在一份报告中称，被认为构成96%的宇宙的神秘物质——暗物质和暗能量可能并不存在。现有的宇宙学标准模型可能是错误的。
“正是这两种物质促使宇宙不断发生膨胀。”如果这一说法被证明是正确的，将意味着用来计算宇宙结构的理论是错误的。据对“大爆炸”理论进行分析的宇宙学标准模型说，行星、恒星、小行星和气体仅占整个宇宙的4%。
然而，英国达拉谟大学的物理学家通过一项最新研究发现，这种说法有可能是错误的，宇宙可能并不存在“黑暗四周”，这意味着宇宙并不像我们认为的膨胀那么快。英国皇家天文学会的罗伯特·马赛博士说：“这一研究结果对目前存在的有关宇宙未来的假说将是一个巨大挑战，因为这种猜想是建立在宇宙不断膨胀的理论之上，如果事实并非如此，我们的现有理论可能都会被推翻。”
理论家认为，暗物质通过干扰引力，对星系运动产生影响，他们认为暗能量的作用更加重要。科学家们认为，正是这种看不到的物质导致宇宙迅速膨胀，快速把一切东西分开。
汤姆·夏克斯教授与研究生尤塔尼·萨文维特联合写了这份报告。在报告中，他们说：“如果我们的研究结果被证明是正确的，由暗能量和暗物质粒子主宰宇宙的可能性会更小。因此有关宇宙拥有‘黑暗四周’的证据会变得更没说服力。”
他们的这一研究成果是根据2001年进入轨道的美国宇航局卫星收集的最新数据得出的，该局发射这颗卫星的目的，是监测宇宙大爆炸产生的热辐射。
（据2010年6月30日《江南时报》消息）
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红移现象指的是白矮星爆炸的光在远离我们的时候，其光波长会被拉长，而波长越长，它的颜色就越红。目前对红移现象的公认解释为：速度造成红移。例如：当一列火车向我们奔驰而来时，它的汽笛声尖锐刺耳，因为火车的高速运动使声波波长被压缩，能量密度增加。相反，当火车离开我们飞驰而去时，它的汽笛声则低沉幽缓，简称多普勒效应。
光波的红移现象指的是：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在20世纪20年代，世界上最大的天文望远镜投入使用之后，美国天文学家哈勃于1929年确认，遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去。星系不光在离我们而去，彼此之间也在相互远离，而且距离越远，逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律（Hubble’s law），说明宇宙正在膨胀。
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2011年诺贝尔物理学奖获得者当年认为，他们会根据测量到的宇宙减速膨胀，推测宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他们采用的方法，从原理上讲，跟60多年前天文学家所用的方法是一样的——给遥远的恒星定位，并测量它们如何运动；而实际上宇宙膨胀速度是加速的。
那些光亮变化稳定的恒星中有一个关联：光变周期越长，亮度就越大。由于知道了视亮度和真实亮度，就可以计算恒星的距离，因此光变周期成为了计算变星距离的理想手段。也正因此，一种被称为“造父变星”的恒星，成为早期宇宙的“标准烛光”。所谓标准烛光，指的是人们可以用造父变星来测量视差法无法测量的特大距离。
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在解释造父变星之前，先来看看什么是变星(variable star)。狭义上变星指的是“亮度有显著起伏变化”的恒星。宇宙中，一些在光学波段的物理条件和光学波段以外的电磁辐射有变化的恒星，天文学家将其称为变星，如光谱变星、磁变星、红外变星、X射线新星等，即星空中那些亮度随时间而改变的恒星。变星分很多种，如光学变星和物理变星。光学变星因为双星互绕，当其中一个遮蔽到另外一个时，造成观测上的视觉差异，使得观测者认为恒星亮度改变。物理变星是因为恒星本身内源或者大气状态不稳定，造成亮度改变。它又分为脉动变星和爆炸性变星。
荷兰人古德里克在研究仙王座恒星时，发现其中一颗名为“仙王座δ”的恒星亮度会有规律地起伏变化。中国古代将“仙王座δ”称作“造父一”，因此这颗有规律变换光亮的恒星就被称为“造父一”。而古德里克观察到“造父一”的光度周期（即从最暗变到最亮又回到最暗所需要的时间）是5天9小时，这是一种脉动型变星。此后人们发现了更多这样的变星，于是就将其中最重要的一类命名为“造父变星”，以最著名的变星成员“造父一”而得名。
延 伸 阅 读 哈勃观测到类似银河系的遥远星系
哈勃空间望远镜近日观测到一个壮观的遥远漩涡星系Messier74，它大约和我们的银河系一样大小。
哈勃望远镜观测到的图像显示，Messier74几乎是全部展现在我们眼前，用它的星罗棋布的旋臂形成了一个类似凯瑟琳之轮的形状。其中炙热的气体形成了无数亮点，一些明显的光块显示着那里正有新的恒星在形成。
Messier74的巨大旋臂被蓝色的年轻恒星组成的星团和粉红色的弥漫气体星团描绘出来，粉红色弥漫气体星团标志出充满氦气的星云的位置。
Messier74 位于双鱼座方向，距离大约为3200千万光年。Messier 74 漩涡星系比银河系稍小，其中包含大约1000亿颗恒星。1780年，这个星系被法国天文学家皮埃尔·梅襄（Pierre Mechain ）(1744-1804)首次发现，后来被他的朋友查尔斯·梅西叶（Charles Messier）编入了梅西叶星云星团表。Messier74 光亮非常微弱，所以很难用业余望远镜观测到，它被人昵称为“幻影星系”。
宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现，因此，其发现者获得诺贝尔奖也是意料之中的。但是，暗能量的本质仍是一个还未解决的问题。对这一问题的研究，也很可能是未来基础物理学发展的突破口。所以2011年诺贝尔物理学奖获得者的发现，也只是向科学界揭露了一个96%的成分仍然未知的宇宙。
（本专题部分内容摘编自果壳网、2011诺贝尔物理学奖新闻稿）
