你是否好奇，浩瀚宇宙的最終命運將會如何？自大爆炸以來，宇宙一直在膨脹，但究竟是什么力量驅動著它？20 世紀末，天文學家們驚奇地發現，宇宙并非如預期般減速膨脹，而是在加速！驅動這場加速膨脹的幕后推手，就是神秘的“暗能量”……

01 尋找量天尺

天體的距離如何測量呢？要靠一根接一根的量天尺來測量。我們很容易用三角測距法計算出某些恒星的距離。300 光年之內，都可以用三角法測量。這是我們擁有的第一把宇宙量天尺。

但是，更加遙遠的天體就不行了。假如要測量銀河的大小，區區 300 光年是無論如何不夠用的。哈勃要測量銀河系的鄰居仙女座大星系的距離，那就更不夠用了。我們需要一把更長的尺子。

哈勃太空望遠鏡拍攝的仙女座星系的馬賽克圖像

你可能還記得我們以前已經介紹過，哈勃使用的是造父變星。他在仙女座大星系里面發現了造父變星。這種天體的亮度就像手機呼吸燈一樣會由亮變暗，再由暗變亮，如此循環往復。周期長短和絕對亮度是有關聯的。那么知道變光周期也就可以推算出絕對亮度。這是第二把尺子，當然第二把尺子要用第一把尺子來校準。哈勃就是利用造父變星測算了大大小小星系的距離，從而發現了遙遠的星系都在遠離我們。

造父變星的周期性

現在的太空望遠鏡已經可以拍攝到非常遙遠的天體。感光器件連續曝光幾十天，對準針眼大小的區域拍一張照片。照片上每個光點都是一個星系團。即便是星系團級別，也不過才幾個像素大小，我們無論如何沒辦法從中分辨出造父變星。第二把量天尺也失效了。

為了能夠測量出距離地球幾十億甚至上百億光年外的星系距離，我們必須要找到新的量天尺，這把量天尺我們前面也介紹過了，就是 Ia 型超新星。

02 大跌眼鏡的發現

超新星是一把非常好的量天尺，但是也需要精確校準。利用爆炸余暉，可以把這把尺子調節得更加精確。遙遠的天體發出的光千里迢迢跑到我們地球的過程之中，難免會碰上氣體云、塵埃之類的，還要矯正這些霧霾帶來的亮度誤差。這些氣體云和塵埃會更多地吸收藍光，因此可以從紅光和藍光的比例來判斷衰減了多少。

上：白矮星質量增長；下：質量極限已超出，形成 Ia 型超新星

經過天文學家的不斷努力，這把尺子已經被校準。從上世紀 90 年代以來，有兩個獨立的研究團隊利用當時世界上最先進的設備尋找超新星。其中有一個科學家就是我們前面提到的亞當·里斯。還有兩位是，索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）、布萊恩·施密特（Brian P. Schmidt），這三位后來分享了 2011 年的諾貝爾物理學獎。他們帶領著團隊堅持不懈地在連續幾年的時間里，對高紅移 Ia 型超新星進行了觀測，系統地研究了宇宙膨脹現象。他們本來的目標是計算出宇宙膨脹的減速狀況。

2011 諾貝爾物理學獎獲得者

宇宙膨脹減速是最符合科學家們預期的情況，也很符合邏輯。因為，在大爆炸以后，受到引力的作用，宇宙的膨脹速度會減慢，就像炮彈朝天上發射一樣，出炮膛的一瞬間速度是最快的，然后就會開始減速，當達到最高點，速度為 0，下落的過程就開始了。

當然，炮彈速度足夠快，就可以不掉下來，變成衛星，再快一些就可以飛出地球引力范圍，一去不回頭。所以在過去，物理學家們也一直都認為宇宙大爆炸和炮彈發射很類似，宇宙中的所有物質都會產生引力。假如物質足夠多，引力足夠大，最終我們的宇宙膨脹到了頂點，還是會開始收縮的，最后重新變成一個點，這個過程叫做“大擠壓”。這樣的宇宙雖然無比遼闊，但是體積終究有限，因此也叫封閉宇宙。

只要炮彈速度足夠快，就可以不掉下來，變成衛星

假如物質不多不少剛剛好，我們的宇宙再也不會收縮了，雖然膨脹速度在下降，但是永遠也減不到 0。就像人造衛星不會掉到地球上是一個道理。這是一種溫和的結局，一切都慢慢消逝。

為了探求宇宙的未來，天文學家們試圖測量宇宙膨脹的精確速度，從而確定它的減速情況。幾乎所有的科學家都認為，宇宙膨脹理所應當是在剎車，區別無外乎是溫和地剎車，還是急剎車，也有小部分科學家認為是空檔滑行。

上世紀 90 年代，有兩個各自獨立的團隊幾乎同時向這個宇宙終極命運問題發起了沖擊，其中一個團隊由美國勞倫斯伯克利國家實驗室的珀爾馬特領銜，成員來自 7 個國家，總共 31 人，陣容強大；另一個團隊則由哈佛大學的布萊恩·施密特和亞當·里斯領銜，也是一個由 20 多位來自世界各地的天文學家組成的豪華團隊。

珀爾馬特（最左）與超新星宇宙學項目團隊成員合影

最終，兩個團隊前后腳發現了讓人大跌眼鏡的現象，宇宙在前 70 億年確實是在減速膨脹，可是在 70 億年前的某個時間點上，減速膨脹反轉成了加速膨脹，這就好像開車，先是踩剎車，然后再踩油門，這個事情就大大出乎科學家們的意料了。愛因斯坦或者伽莫夫要是聽說這事兒，估計一口老血都能噴出來。

03 宇宙正加速膨脹？

宇宙加速膨脹的這個觀點足以驚動全世界，這樣驚人的觀點要站住腳，那必須要經受住比其他科學觀點更加嚴苛的挑戰。

因此，盡管兩個團隊公布了所有的觀測數據和他們的研究方法，但要讓全世界的科學家們接受依然證據不夠。在這之后，世界各地的天文學家們又進行了大量的獨立觀測、驗證，包括 COBE、WMAP 和普朗克衛星都對這個結論做了不同程度的觀測驗證，到今天為止，宇宙加速膨脹已經成為了一個經受住嚴苛檢驗的事實而被科學共同體所接受。

宇宙背景探測者（COBE）

2011 年，珀爾馬特、施密特以及亞當·里斯獲得當年的諾貝爾物理學獎，這一次，諾貝爾獎算是反應比較迅速的。沒有等到這幾位七老八十才把獎發給他們。珀爾馬特算是最老的，當時也才 52 歲。在此前后，他們已經拿獎拿到手軟了。

從諾獎的反應速度，大家也都能掂量出他們的成就有多重要。這個發現實在是太讓人意外了。那么，接下去，就很自然而然會產生一個重要的問題：到底是誰在踩油門呢？這一切該如何解釋呢？

宇宙加速膨脹

按照過去的理論，這是不可能的。我們過去認為，宇宙膨脹應該是減速的?，F在發現，宇宙就像被踩了油門，在加速膨脹之中。到底是誰在踩油門呢？這是個大問題。

為了解決這個問題，1998 年，邁克爾?特納引入了一個新名詞，那就是“暗能量”。

我們講到這里，這個名字才浮現出來，確實鋪墊得有點兒長。但因為講到暗能量就只能從宇宙大爆炸的發現一路講起，否則沒有基礎的人是根本聽不懂的。所以，暗能量其實還是一個假想的概念。

04 暗能量假說是什么？

研究暗能量，必須要從宇宙誕生的那一刻開始。大約 138 億年前（當然，正如我前面說的，這個數字可能不對，但這依然是目前接受度最高的數字，我們也就這么說），宇宙從一個奇點之中誕生。爆炸后的一瞬，物理法則開始生效，那個瞬間，一切都是溫度極高的狀態，隨著宇宙的膨脹，溫度開始下降了。

到了第 10 的 -11 次方秒左右的時候，粒子的溫度已經降低到了我們現有高能物理理論能掌握的階段。我們就可以計算那個時候究竟發生了什么事情。那個時候，夸克和膠子開始組合成質子和中子。第 10 的 -6 次方秒時，宇宙產生了大批的質子與反質子對，中子與反中子對。但是數量并不匹配，正粒子比反粒子多了這么一絲絲。隨后它們互相抵消湮滅，還剩下十億分之一的中子和質子保留到今天。大爆炸以后 1 秒左右的時間段，電子和正電子也遭遇過類似情況，電子也多了一絲。我們看到的宇宙星辰就是由這殘留的一絲正物質構成的。

在宇宙大爆炸約 3 分鐘后，宇宙濃湯的溫度足夠低了，原子核才能形成。一直到大爆炸以后 38 萬年，宇宙的霧霾才逐漸散開，變得透明。光子才能痛快地在宇宙里不受限制地隨意穿行。這就是大爆炸以后發出的第一縷光。這些光子已經被我們人類探測到了，這就是“宇宙微波背景輻射”，它能告訴我們宇宙早期的信息，以及宇宙之中物質含量的信息。

WMAP 制作的全天圖顯示了宇宙背景輻射

因為這些光子幾乎是穿行整個宇宙才落到我們的探測器里，它們一路之上受到的引力扭曲，穿過的氣體，遇上的塵埃，都會在微波背景輻射之中留下痕跡。

該圖揭示了宇宙誕生以來膨脹率的變化

按照普朗克衛星的最新數據，我們現在對宇宙的基本認知是：暗能量占了總質能的 68.3%、暗物質占 26.8%、普通物質僅占 4.9%。