编者注： 这篇文章最初刊登在2004年2月的《大众科学》杂志上。我们重新发布这篇文章是因为作者亚当·里斯被麦克阿瑟基金会选为2008年麦克阿瑟研究员。
从艾萨克·牛顿时代到20世纪90年代末，引力的定义特征是其吸引力。引力使我们脚踏实地。它减缓了棒球的上升速度，并将月球保持在绕地球的轨道上。引力阻止我们的太阳系分崩离析，并将巨大的星系团聚集在一起。尽管爱因斯坦的广义相对论允许引力既可以推也可以拉，但大多数物理学家认为这纯粹是一种理论上的可能性，与今天的宇宙无关。直到最近，天文学家还完全期望看到引力减缓宇宙的膨胀。
然而，在1998年，研究人员发现了引力的排斥面。通过仔细观察遥远的超新星——恒星爆炸在短暂的时间内像100亿个太阳一样明亮——天文学家发现它们比预期的要暗淡。对这种差异最合理的解释是，来自数十亿年前爆炸的超新星的光传播的距离比理论学家预测的要远。反过来，这种解释导致了宇宙膨胀实际上正在加速而不是减速的结论。这是一个如此激进的发现，以至于一些宇宙学家认为，超新星亮度的下降是其他效应的结果，例如星系际尘埃使光线变暗。然而，在过去的几年里，天文学家通过研究越来越遥远的超新星，巩固了宇宙加速的案例。
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但是宇宙膨胀在宇宙的整个生命周期中一直在加速，还是只是一个相对较新的发展——也就是说，发生在过去五十亿年左右？答案具有深远的意义。如果科学家发现宇宙的膨胀一直在加速，他们将不得不彻底修改他们对宇宙演化的理解。但是，如果像宇宙学家预期的那样，加速被证明是一个近期现象，研究人员或许可以通过了解膨胀何时以及如何开始加速来确定其原因——并可能回答关于宇宙命运的更大的问题。
巨人之战
大约75年前，天文学家埃德温·哈勃通过观察到其他星系正在远离我们，发现了宇宙的膨胀。他注意到，更遥远的星系比附近的星系后退得更快，这符合现在被称为哈勃定律（相对速度等于距离乘以哈勃常数）的定律。在爱因斯坦广义相对论的背景下，哈勃定律的出现是因为空间的均匀膨胀，这仅仅是宇宙尺寸的放大。
在爱因斯坦的理论中，引力作为一种吸引力的概念仍然适用于所有已知形式的物质和能量，即使在宇宙尺度上也是如此。因此，广义相对论预测，宇宙的膨胀应该以宇宙中物质和能量密度决定的速率减速。但是，广义相对论也允许存在具有奇异性质的能量形式，这些能量形式会产生排斥引力。加速而不是减速膨胀的发现显然揭示了这种能量形式的存在，它被称为暗能量。
膨胀是减速还是加速取决于两个巨人之间的战斗：物质的吸引引力和暗能量的排斥引力推力。在这场较量中重要的是各自的密度。物质的密度随着宇宙的膨胀而降低，因为空间的体积增加了。（只有一小部分物质以发光恒星的形式存在；大部分被认为是暗物质，它不会以明显的方式与普通物质或光相互作用，但具有吸引引力。）虽然对暗能量知之甚少，但预计其密度随着宇宙的膨胀变化缓慢或根本不变。目前，暗能量的密度高于物质的密度，但在遥远的过去，物质的密度应该更高，因此当时的膨胀应该已经减速。
宇宙学家还有其他理由期望宇宙的膨胀并非一直加速。如果一直是这样，科学家将无法解释今天在宇宙中观察到的宇宙结构的存在。根据宇宙学理论，星系、星系团和更大的结构是从早期宇宙物质密度的小不均匀性演化而来的，这些不均匀性通过宇宙微波背景（CMB）温度的变化来揭示。物质过密区域更强的吸引引力阻止了它们的膨胀，使它们能够形成引力束缚的物体——从像我们自己的星系到巨大的星系团。但是，如果宇宙的膨胀一直加速，它就会在结构组装之前将它们拉开。此外，如果膨胀一直在加速，早期宇宙的两个关键方面——CMB变化的模式和宇宙大爆炸后几秒钟产生的轻元素的丰度——将与目前的观测结果不符。
然而，重要的是寻找早期减速膨胀阶段的直接证据。这样的证据将有助于证实标准的宇宙学模型，并为科学家提供关于当前宇宙加速时期根本原因的线索。由于望远镜在收集来自遥远恒星和星系的光时会回顾过去，天文学家可以通过关注遥远的物体来探索宇宙的膨胀历史。这段历史被编码在星系的距离和后退速度之间的关系中。如果膨胀正在减速，遥远星系的速度将相对大于哈勃定律预测的速度。如果膨胀正在加速，遥远星系的速度将低于预测值。或者，换句话说，如果宇宙正在加速，具有给定后退速度的星系将比预期的更远——因此更暗淡。
超新星搜寻
要利用这个简单的事实，需要找到具有已知固有光度——物体每秒产生的辐射量——并且可以在整个宇宙中看到的的天文物体。一类称为Ia型超新星的特殊超新星非常适合这项任务。这些恒星爆炸非常明亮，地面望远镜可以从可见宇宙的一半处看到它们，哈勃太空望远镜可以从更远的地方看到它们。在过去的十年中，研究人员仔细校准了Ia型超新星的固有光度，因此可以根据其视亮度确定到其中一颗爆炸的距离。
天文学家可以通过测量超新星所在星系的光的红移来推断超新星的后退速度。来自后退物体的辐射会向更长的波长移动；例如，当宇宙是现在大小的一半时发出的光将波长加倍并变得更红。通过测量大量位于不同距离的超新星的红移和视亮度，研究人员可以创建宇宙膨胀的记录。
不幸的是，Ia型超新星非常罕见，在像银河系这样的星系中平均每几个世纪才发生一次。超新星搜寻者使用的技术是反复观察包含数千个星系的空域，然后比较图像。在一张图像中出现但在之前的图像中没有出现的瞬时光点可能是一颗超新星。1998年显示宇宙加速证据的结果是基于两个团队对超新星的观测，这些超新星在宇宙大约是现在大小的三分之二时爆炸，大约在五十亿年前。
然而，一些科学家想知道，这些团队是否正确地解释了来自超新星的数据。除了宇宙加速之外，是否还有其他效应可能导致超新星看起来比预期的更暗淡？填充星系际空间的尘埃也可能使超新星显得暗淡。或者，也许古代超新星天生就更暗淡，因为宇宙的化学成分与今天不同，核反应在恒星中产生的重元素丰度较小。
幸运的是，有一个很好的测试竞争假设的方法。如果超新星看起来比预期的更暗淡是因为天体物理学原因，例如普遍存在的尘埃屏障，或者因为过去的超新星天生就更暗淡，那么推测的变暗效应应该随着物体的红移而增加。但是，如果变暗是近期宇宙加速的结果，而宇宙加速是在早期减速时代之后发生的，那么来自减速时期的超新星将显得相对更亮。因此，对宇宙小于现在大小的三分之二时爆炸的超新星的观测可以提供证据来表明哪个假设是正确的。（当然，可能存在一种未知的星体物理现象，可以精确地匹配加速和减速的效应，但科学家通常不赞成这种人为调整的解释。）
然而，找到如此古老和遥远的超新星是困难的。当宇宙是现在大小的一半时爆炸的Ia型超新星大约只有天空中最亮的恒星天狼星的百亿分之一那么亮。地面望远镜无法可靠地探测到这些物体，但哈勃太空望远镜可以。2001年，我们中的一位（里斯）宣布，太空望远镜在重复观测中意外地拍摄到了一颗极其遥远的Ia型超新星（称为SN 1997ff）。鉴于来自这颗恒星爆炸的光的红移——它发生在约100亿年前，当时宇宙是目前大小的三分之一——该物体比尘埃宇宙假设为真时应该出现的亮度要亮得多。这个结果是减速时代的首个直接证据。我们两人提出，对更多高红移超新星的观测可以提供确凿的证据，并确定从减速到加速的过渡点。
先进巡天照相机是2002年安装在太空望远镜上的新型成像仪器，它使科学家能够将哈勃望远镜变成一台超新星搜寻机器。里斯领导了一项努力，通过搭载伟大的天文台起源深空巡天来发现所需的大量非常遥远的Ia型超新星样本。该团队发现了六颗在宇宙小于现在大小的一半时爆炸的超新星（超过70亿年前）；连同SN 1997ff，这些是迄今为止发现的最遥远的Ia型超新星。观测证实了早期减速阶段的存在，并将减速和加速之间的过渡“海岸线”置于大约五十亿年前。这一发现与理论预期相符，因此令宇宙学家感到欣慰。宇宙加速是一个惊喜，也是一个需要解决的新难题，但它并没有那么令人惊讶，以至于让我们重新思考我们对宇宙的许多理解。
我们的宇宙命运
古代超新星也为暗能量提供了新的线索，暗能量是宇宙加速的根本原因。解释暗能量效应的主要候选者是真空能量，它在数学上等同于爱因斯坦在1917年发明的宇宙常数。因为爱因斯坦认为他需要模拟一个静态宇宙，所以他引入了他的“宇宙学微调因子”来平衡物质的吸引引力。在这个配方中，常数的密度是物质密度的一半。但是，为了产生观测到的宇宙加速，常数的密度必须是物质密度的两倍。这种能量密度可能来自哪里？量子力学的不确定性原理要求真空充满借用时间和能量存在的粒子，它们会突然出现又消失。但是，当理论家试图计算与量子真空相关的能量密度时，他们得出的值至少高出55个数量级。如果真空能量密度真的那么高，宇宙中的所有物质都会瞬间飞散，星系永远不会形成。
这种差异被称为理论物理学中最糟糕的尴尬，但它实际上可能是巨大机遇的标志。尽管新的尝试来估计真空能量密度可能会产生恰好可以解释宇宙加速的量，但许多理论家认为，正确的计算，结合新的对称性原理，将导致量子真空相关的能量为零的结论。（即使是量子虚无也一无所有！）如果这是真的，那么一定是其他东西导致宇宙膨胀加速。
理论家提出了各种各样的想法，从额外的、隐藏维度的影响到与自然界的新场相关的能量，有时称为第五元素。一般来说，这些假设假设暗能量密度不是恒定的，并且通常随着宇宙的膨胀而降低。（但是，也提出了暗能量密度实际上随着宇宙膨胀而增加的建议。）也许最激进的想法是没有暗能量，而是必须修改爱因斯坦的引力理论。
由于暗能量密度的变化方式取决于理论模型，因此每个理论都预测了宇宙膨胀从减速变为加速的过渡点的不同时间。如果暗能量密度随着宇宙的膨胀而降低，那么转换点发生的时间将比假设恒定暗能量密度的模型更早。即使是修改引力的理论模型也会在转换时间上产生可辨别的特征。最新的超新星结果与假设恒定暗能量密度的理论相符，但它们也与大多数假设暗能量密度变化的模型相符。只有规定暗能量密度大幅变化的理论被排除在外。
为了缩小理论可能性的范围，哈勃太空望远镜正在继续收集超新星数据，这些数据可以精确确定过渡阶段的细节。尽管太空望远镜仍然是探测宇宙膨胀早期历史的唯一手段，但十几个以上的地面项目正试图提高近期宇宙加速测量的精度，以充分揭示暗能量的物理学特性。最雄心勃勃的项目是由美国能源部和NASA提出的联合暗能量任务（JDEM）。JDEM是一架两米宽视场的太空望远镜，专门用于发现和精确测量数千颗Ia型超新星。超新星搜寻者希望看到JDEM在下一个十年初发射；在那之前，他们将不得不依靠哈勃望远镜来探测最遥远的恒星爆炸。
解开宇宙加速之谜将揭示我们宇宙的命运。如果暗能量密度是恒定的或随时间增加的，那么在大约1000亿年后，除了几百个星系外，所有星系都将红移得太远而无法看到。但是，如果暗能量密度降低并且物质再次占主导地位，我们的宇宙视界将扩大，揭示更多的宇宙。甚至可能出现更极端（和致命）的未来。如果暗能量密度上升而不是下降，宇宙最终将经历“超速加速”，这将按顺序撕裂星系、太阳系、行星和原子核。或者，如果暗能量密度降至负值，宇宙甚至可能会重新坍缩。预测我们宇宙未来的唯一方法是弄清楚暗能量的本质。