正在加速膨胀的宇宙

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众所周知，我们处在一个膨胀中的宇宙之中。而这个膨胀是匀速还是加速的呢？由于万有引力只有吸引而没有排斥，因此很长时间内人们认为宇宙正处于减速膨胀之中。但是，随着越来越多的观测证据，人们发现，当前的宇宙是处于加速膨胀状态的。证明宇宙加速膨胀的观测数据包括：

1、上世纪80年代，哈勃常数与恒星演化的原子核年代学出现了观测上的矛盾。这种方法和考古的时候，考古学家们通过放射性元素来鉴定年代的方法十分类似。这一观测数据和哈勃常数的观测出现了矛盾，因此被称作宇宙年龄危机。

2、宇宙中通常的物质密度。宇宙中物质所占的总的密度的比例，可以通过星系的质光比、引力透镜、不同红移处的星系团数目、CMB角涨落等方法来测量。

超新星爆发示意图

3、最广为人知也是最有力的观测证据，就是Ia型超新星的观测数据。我们知道，如果我们有一些功率完全一样的灯，那么它们到我们的距离和我们观测到的亮度显然是成反关系的。这样的“标杆”被称作标准烛光。Ia 型超新星可以作为标准烛光的原因是，当吸积白矮星的质量达到钱德拉塞卡极限的时候，白矮星的爆燃会导致的超新星爆发。这意味着目前所有观测到的白矮星的质量都应该小于1.4倍太阳质量，而且所有的白矮星在超新星爆发时都具有相同的质量。这样，所有的白矮星的超新星爆发的时候，都具有相同的最大光度。因此，我们一旦从一个爆发事件确定了Ia 型超新星的光度，我们能用这个光度来确定所有的Ia 型超新星的距离。

这里多说两句，在Ia型超新星之前，科学家们在进行高红移观测的时候，使用的往往是星系团中最亮的星系，即塔利-费舍尔关系。而低红移的时候则可以使用造父变星等天体。

18个Ia型超新星

（Y.Wang, 2000, ApJ. 536. 531）

话说回来，Ia型超新星观测上的变暗的规律告诉我们，宇宙是处在加速膨胀之中。但是一定要用加速膨胀来解释吗？

显然，我们可以猜测是否是超新星模型有问题，但是这方面的研究并没有实质性的进展。

那么有没有可能我们的宇宙就是不均匀的呢？这是直接对宇宙学原理的冲击了（宇宙学原理指的是，1、以宇宙标准时为恒量的超曲面，是整个是开的最大对称子空间；2、度规张量，能动张量等，面对这些子空间的等度规变换，都是形式不变的），而且这样做代价太大了，因为这要求我们处在宇宙中一个很特殊的地方——宇宙的中心，而现代宇宙学则是建立在宇宙中没有什么特殊的地方的基础上的。另外，观测证据也让猜想的可行性变得很低。

宇宙的组分

那么会不会是引力透镜呢？遗憾的是，研究表明，引力透镜对这一现象的影响很低。

此外，会不会是宇宙中存在着某种原因使得光被吸收了呢。但是，这一次猜想又败给了观测。由于我们的宇宙并不是一直处于加速膨胀的状态，在此之前物质主导的宇宙是处于减速膨胀的，那么在高红移处，超新星的观测规律理应回到减速膨胀的宇宙学的预言中。但是，如果以光被吸收了来解释Ia超新星变暗，那么这种变暗规律肯定是随着红移的增加而增加，也就是越远吸收的就越多。但是并没有观测到这种情况。

就这样，在上述发现下，暗能量被正式提出。暗能量的模型数不胜数，多年来，一批模型倒下了，又一批模型站起来了。有的模型认为大道至简，只是加了个常数项；有的则不破不立，干脆修改了引力理论；有的奇思妙想，统一了暗物质和暗能量；有的则另辟蹊径，建立了被称作全息暗能量的模型。不管怎么说，随着观测的逐渐进步，相信总有一天人类会破解这个世纪难题。

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作者：王纪尧

配图：王纪尧

校对：叶君耀

排版：王纪尧

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