天体物理学中最令人震惊的发现已有 25 年历史

在 1994 年初的某个下午，两位天文学家坐在智利拉塞雷纳沿海城镇的天文台总部的一间空调计算机房里聊天。塞罗托洛洛美洲际天文台的副天文学家尼古拉斯·桑特泽夫和最近在哈佛-史密森天体物理中心完成博士论文的布莱恩·施密特是超新星——爆炸恒星方面的专家。桑特泽夫和施密特认为，最终是时候利用他们的专业知识来解决宇宙学中的一个基本问题了：宇宙的命运是什么？

具体来说，在一个充满物质、引力吸引所有其他物质的宇宙中，逻辑表明，空间膨胀——始于大爆炸并一直持续至今——将会减速。但会减速多少？刚好足以让膨胀最终达到永恒的静止状态？还是会减速到膨胀最终会以一种掉头式的大爆炸逆转自身？

他们抓起最近的蓝色和灰色 IBM 打印纸，翻过来开始潦草地写下一个计划：要确保的天文望远镜、要招募的同行、要委派的职责。

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与此同时，在太平洋沿岸 9,600 公里外的加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室，一个由物理学家索尔·珀尔马特领导的合作组织已经在追求相同的目标，使用相同的超新星方法并依赖相同的基本逻辑。桑特泽夫和施密特知道珀尔马特的超新星宇宙学项目 (SCP)。但他们也知道 SCP 团队主要由物理学家组成，他们像珀尔马特本人一样，正在边做边学天文学。施密特和桑特泽夫互相安慰说，一支真正的天文学家团队肯定能赶上。

他们的团队确实及时赶上了。1998 年，竞争对手的合作组织独立地就宇宙膨胀减速的程度达成了相同的结论：它并没有减速。它正在加速。

去年是发现“暗能量”证据 25 周年——“暗能量”是驱动加速的任何事物的代名词，即使在当时也几乎一无所知，但却几乎包含了一切。这个名称几乎是一个笑话，而笑话的对象是我们自己。如果暗能量是真实的，它将构成宇宙中所有质量和能量的三分之二——也就是说，占人们从文明曙光时期开始一直认为的宇宙整体的三分之二。然而，宇宙的三分之二是什么仍然是一个谜。

四分之一个世纪后，这个总结仍然适用。但这并不是说科学没有取得任何进展。几十年来，观测者收集了越来越多的令人信服的暗能量存在证据，这项努力继续推动着观测宇宙学的重要组成部分，同时激发了越来越巧妙的方法来（如果不能探测到）至少定义它。但从一开始——在 1998 年最初几个月——理论家们就认识到，暗能量提出了一个比宇宙命运更紧迫的关乎生存的问题：物理学的未来。

自艾萨克·牛顿提出万有引力定律以来，一个充满物质、引力吸引所有其他物质的宇宙为什么还没有坍缩到自身的问题，至少一直困扰着天文学。1693 年，在他出版《原理》仅六年之后，牛顿向一位询问的牧师承认，假设一个处于永恒平衡状态的宇宙，就像让“不仅一根针，而且无数根针（数量与无限空间中的粒子一样多）精确地平衡在针尖上。但我承认这是可能的，”他立即补充道，“至少是通过神力。”

已故的斯蒂芬·霍金在 1999 年为《原理》的新译本所作的介绍中写道：“对于理论物理学来说，这是一个巨大的错失良机。”“牛顿本可以预测宇宙的膨胀。”

爱因斯坦也是如此。1917 年，当他将他的广义相对论方程应用于宇宙学时，他面临着与牛顿相同的问题。然而，与牛顿不同的是，爱因斯坦在方程中添加的不是神力，而是希腊字母 lambda (Λ)，这是一个任意的数学简写，代表任何保持宇宙完美平衡的东西。

接下来的十年，天文学家埃德温·哈勃通过他的双重发现，似乎使 lambda 变得多余：除了我们自己的银河系之外，还存在其他“岛宇宙”，或星系，并且总的来说，这些星系似乎以相当直接的方式远离我们：越远，速度越快——就好像宇宙可能起源于一次爆炸性事件。1964 年，支持大爆炸理论的证据的发现立即将宇宙学从形而上学提升为硬科学。仅仅六年之后，在《今日物理》杂志上的一篇论文中，天文学家（以及曾经的哈勃门生）艾伦·桑德奇为一代人设定了议程，他将大爆炸宇宙学的科学定义为“寻找两个数字”。一个数字是“现在的膨胀率”。第二个数字是“随着时间的推移膨胀的减速”。

几十年过去了，对第二个数字的第一次真正调查才开始进行，但两个合作组织或多或少同时开始研究它并非巧合。直到那时，技术和理论的进步才使寻找减速参数成为可能。

在 20 世纪 80 年代末和 90 年代初，天文学家收集光线的方式正在从模拟转向数字——从可以收集大约 5% 的入射光子的照相底片，到光子收集率高达 80% 以上的电荷耦合器件。望远镜的光收集能力越大，它在宇宙中的视野就越深——而对宇宙空间和（因为光速是有限的）时间的越来越深的视野，正是宇宙膨胀率搜索所需要的。

哈勃图，正如宇宙学家所称的哈勃用于确定宇宙正在膨胀的图表，绘制了两个值：星系显然正在远离我们的速度，在一个轴上，以及星系与我们的距离，在另一个轴上。

天文学家可以通过测量星系的光向电磁光谱可见部分的红色端移动了多少（它们的“红移”）来确定星系的速度——空间的拉伸将它们带离我们的速度。

然而，确定它们与我们的距离更加棘手。这需要一个“标准烛光”——一类光输出不变的物体。例如，一个 100 瓦的灯泡就是一个标准烛光。如果您知道它的绝对光度是 100 瓦，那么您可以将平方反比定律应用于它的视光度——它在您当前距离处看起来有多亮——来计算它实际有多远。

哈勃在他的图表中使用的标准烛光是造父变星，一种以规则间隔变亮和变暗的恒星。但是，造父变星很难在超过 1 亿光年的距离上探测到。试图测量宇宙历史中膨胀率的天文学家将需要一种他们可以从数十亿光年之外观察到的标准烛光——这种距离是电荷耦合器件探测器及其卓越的光子收集能力可以探测到的。

一种标准烛光的候选者在 20 世纪 80 年代末出现：Ia 型超新星，即白矮星从伴星吸积过多物质时发生的爆炸。逻辑似乎是合理的：如果爆炸的原因总是相同的，那么效果——爆炸的绝对光度——也应该是相同的。然而，进一步的调查确定，效果并非统一；“新星”的视亮度和可见性消失的时间长度都因超新星而异。

然而，在 1992 年，塞罗托洛洛美洲际天文台的另一位天文学家（以及桑特泽夫和施密特团队的未来成员）马克·菲利普斯认识到超新星的绝对光度与其视亮度从最初爆发到减弱的轨迹之间存在相关性：明亮的超新星逐渐衰减，而暗淡的超新星则突然衰减。因此，Ia 型超新星不是标准烛光，但也许它们可以标准化。

几年来，珀尔马特的 SCP 合作组织一直押注 Ia 型超新星是标准烛光。然而，在施密特和桑特泽夫——以及他们最终招募到他们称之为高z合作组织（z 是天文红移的简写）的成员之前，它们必须变得可以标准化，他们才能放心地将他们的职业生涯投入到测量减速参数中。

哈勃最初的图表表明速度和距离之间存在直线相关性（“表明”是因为他的误差条在今天无法通过同行评审）。20 世纪 90 年代的两个团队选择在 x 轴上绘制红移（速度），在 y 轴上绘制视星等（距离）。假设膨胀实际上正在减速，那么在某个时刻，这条线将不得不偏离其 45 度直线刚性，向下弯曲以表明遥远的物体比人们可能预期的更亮，因此更近。

从 1994 年到 1997 年，这两个小组使用了地球上的主要望远镜，以及至关重要的太空中的哈勃望远镜，收集了数十颗超新星的数据，使他们能够将哈勃图扩展得越来越远。到 1998 年的第一个星期，他们都发现了证据表明该线确实偏离了 45 度。但是这条线不是向下弯曲，而是向上弯曲，表明超新星比他们预期的要暗淡，因此膨胀不是减速而是加速——这个结论与地球不是宇宙中心一样违反直觉，并且在它自己的意义上是革命性的。

然而，天体物理学界欣然接受了它。在发现后仅五个月的五月份，费米实验室召开了一次会议来讨论结果。在会议结束时的一次意向性投票中，三分之二的与会者——大约 60 人中的 40 人——投票表示他们愿意接受证据并考虑“暗能量”的存在（这个术语是芝加哥大学理论宇宙学家迈克尔·特纳在当年创造的，以致敬暗物质）。爱因斯坦的 lambda 似乎又回来了。

导 致迅速达成共识的一些因素是社会学的。两个团队独立地得出了相同的结果，该结果与他们预期的相反，他们使用了主要不同的数据（不同的超新星数据集），并且社区中的每个人都认识到两个团队之间竞争的激烈程度。“他们最高的愿望，”特纳说，“是从另一个团队那里得到不同的答案。”

但是，至少在巩固共识方面同样具有说服力的一个因素是科学的：结果回答了宇宙学中的一些重大问题。一个宇宙怎么可能比它最古老的恒星还要年轻？一个充满超星系团等大型结构的宇宙，是如何如此早地成熟到达到宇宙学意义上的青春期，而它仍然是个蹒跚学步的孩子？

问题解决了！现在正在加速的膨胀意味着过去膨胀的速度较慢；因此，自大爆炸以来经过的时间比宇宙学家之前假设的要长。宇宙比科学家们想象的要古老：那个蹒跚学步的孩子毕竟是青少年。

但也许科学家们愿意接受暗能量存在的最令人信服的原因是，它使宇宙加起来是完整的。多年来，宇宙学家一直在想知道为什么宇宙的密度似乎如此之低。根据当时（以及今天）流行的宇宙学模型，宇宙经历了“暴胀”，暴胀开始于大爆炸后约 10⁻³⁶ 秒（也就是说，在小数点后开始并以 35 个零和一个 1 结尾的秒的分数处），并在大爆炸后大约 10⁻³³ 秒结束。在过渡时期，宇宙的尺寸增加了 10²⁶ 倍。

因此，暴胀会“平滑”空间，使宇宙看起来在所有方向上大致相同，就像我们看到的那样，无论您身在何处。用科学术语来说，宇宙应该是平坦的。而平坦宇宙决定了其实际质量-能量密度与使其免于坍缩所需的密度之间的比率应为 1。

在 1998 年之前，观测表明宇宙的组成远未达到这个临界密度。它可能只有三分之一。其中一部分将以重子的形式存在，即质子和中子——你、我和我们的笔记本电脑，以及行星、星系和望远镜可以访问的所有东西的构成。但大部分将以暗物质的形式存在，暗物质是宇宙的一个组成部分，在电磁光谱的任何部分都无法被望远镜访问，但正如天文学家自 20 世纪 70 年代以来所理解的那样，可以通过间接方式探测到，例如通过引力效应对星系旋转速率的影响。暗能量将完成这个方程：它对质量-能量密度的贡献确实将在三分之二的范围内，刚好足以达到临界密度。

尽管如此，社会学影响和专业偏好并不是科学方法的一部分。（好吧，它们是，但那是另一个讨论。）天文学家需要知道，经验证据在哪里？事实证明，到处都是。

计算宇宙构成的一种方法是研究宇宙微波背景 (CMB)，这是 1964 年发现的现象，它将宇宙学转变为一门科学。CMB 是全天遗迹辐射，其年代可以追溯到宇宙只有 379,000 年的时候，当时原子和光线正在从原始等离子体中分离出来并各奔东西。CMB 的温暖红色和凉爽蓝色浴代表了温度变化，这些温度变化相当于宇宙的 DNA 的物质和能量。拍摄这张照片，然后将其与数百万个宇宙的模拟进行比较，每个宇宙都有其自身的重子物质、暗物质和暗能量数量。没有常规物质或暗物质，而是 100% 暗能量的假设宇宙，或者 100% 常规物质，没有物质或暗能量的宇宙，或者两者之间的任何组合，都将产生独特的颜色模式。

威 金森微波各向异性探测器 (WMAP) 于 2001 年发射，并在 2003 年至 2012 年期间传输数据，提供了一次这样的普查。普朗克，一个更精确的太空天文台，于 2009 年开始收集其自身的 CMB 数据，并于 2018 年发布了最终结果，证实了 WMAP 的发现：宇宙 4.9% 是我们自己的物质，26.6% 是暗物质，68.5% 是暗能量。

然而，尽管暗能量在拯救宇宙学标准模型方面取得了所有胜利，但一个显而易见的问题从一开始就困扰着理论家：它是什么？暗能量确实有助于宇宙加起来是完整的，但这仅在宏观尺度上——在广义相对论管辖的范围内。然而，在微观尺度上，它毫无意义。

根据量子物理学，空间不是空的。它是粒子不断涌现和消失的幻影。这些粒子中的每一个都包含能量，科学家们最好的猜测是，这种能量解释了暗能量。这似乎是一个简洁的解释，只是量子物理学预测的密度值比天文学家最初提出的三分之二大得多——大了 10¹²⁰ 倍。正如笑话所说，即使对于宇宙学来说，这也是一个很大的误差范围。

在 1998 年的冬天，理论家们立即开始努力缩小这个差距。然后他们开始做更多的工作。他们最终做了太多的工作，以至于观测者和理论家之间的相互作用威胁要吞噬整个社区。或者至少理论家西蒙·怀特在 2007 年在《物理学进展报告》上发表的一篇题为“为什么暗能量对天文学不利”的争议性文章中如此认为。

为了弄清楚暗能量是什么，理论家需要知道它的行为方式。例如，它是否随空间和时间而变化？

观测者毫不掩饰他们的挫败感。在科学失衡时期的某个时刻，高z发现论文的第一作者亚当·里斯（也是数学上确定如果没有 lambda——暗能量——超新星数据表明宇宙具有负物质的团队成员）每天都在认真查看新的物理学论文，但他说，发现大多数理论都“非常古怪”。

珀尔马特开始了他的公开演讲，其中包含一张 PowerPoint 插图，展示了提供暗能量“解释”的论文堆积成几十篇。施密特在他的会议演示中，包含了一张幻灯片，其中简单地列出了他从最近文献中可获得的 2,500 种理论中挑选出的 47 种理论的标题，不仅让数量，而且让名称本身来说明问题：“五维里奇平坦反弹宇宙学”、“双原子幽灵凝聚体暗能量”、“伪南部-戈德斯通玻色子精质”。

“我们迫切需要您的帮助，”施密特在 2007 年初对一群理论家说。“您告诉我们 [观测者] 您需要什么；我们将出去为您获取。”

从那时起，天文学家的挫败感转变为近乎漠不关心的态度。今天，桑特泽夫（他最终因个人原因将高z团队的领导权让给了施密特；他现在是德克萨斯州大学城米切尔基础物理学与天文学研究所的杰出教授）说，他几乎不看每天涌现的在线论文。SCP 发现团队的天文学家理查德·埃利斯说，“关于暗能量可能是什么的理论层出不穷，但我倾向于不太相信它们。” 为了弄清楚暗能量是什么，理论家需要知道它的行为方式。例如，它是否随空间和时间而变化？ “我们真的需要更精确的观测才能取得进展，”埃利斯补充道。

他们将获得更精确的观测结果。

Ia 型巡天继续用越来越多的数据点填充哈勃图，而这些数据点正在越来越紧凑的误差条内挤压。如果理论能够解释观测结果，这种统一性可能会更令人满意。相反，宇宙学家发现自己不得不回去真正确保。表面统一性的可信赖性取决于底层原理图的可靠性——最初驱动观测的假设，以及继续指导天文学家尝试测量超新星距离的方式。

“在我看来，这种方法的‘股票价值’多年来略有下降，”现在是伦敦大学学院天文学教授的埃利斯说。他引用的一个问题是，“几乎可以肯定的是，存在不止一种物理机制会导致双星系统中的白矮星爆炸。”不同的机制可能意味着数据与菲利普斯 1993 年的突破相反，是不可标准化的。

另一个问题是对超新星化学成分的分析表明，较老的爆炸恒星比最近的样本包含更轻的元素——这一观测结果与超新星的后代产生越来越重的元素的理论相符。“因此，过去到达白矮星上的进化程度较低 [较老] 的物质可能会改变爆炸的性质，这是合乎逻辑的，”埃利斯说。即便如此，“天文学家仍然非常热衷于使用超新星。”

例如，附近超新星工厂项目是 SCP 的一个分支，它正在使用一种其团队成员称之为“双胞胎嵌入”的技术。他们不是将所有 Ia 型超新星都视为统一的，像一个物种一样，而是检查单个样本的光属性，这些样本在不同波长下的亮度随着时间的推移几乎遵循完全相同的模式。一旦他们找到匹配的“双胞胎”，他们就会尝试从这些数据中进行标准化。

在未来两年内，智利的两个新设施预计将迎来首次光照，并开始进行它们自己对数千颗南天超新星的巡天。薇拉·C·鲁宾天文台将定位这些天体，而 4 米多目标光谱望远镜将识别它们的化学成分，帮助阐明重元素较多的超新星可能如何以不同的方式爆炸。

至于太空望远镜，研究人员继续挖掘哈勃档案中的超新星，里斯预测詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) “最终将把注意力转向”高红移超新星，一旦望远镜解决了更多主要目标。超新星专家社区也在期待南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，它是 JWST 的后继者，预计将于 2027 年年中发射。

然而，巡天超新星并不是测量暗能量性质的唯一方法。另一种方法是研究重子声波振荡 (BAO)——当重子粒子在早期宇宙的热和混沌中相互碰撞时形成的声波。当宇宙冷却到足以让原子聚结时，这些波就冻结了——它们仍然在 CMB 中可见。类似于超新星作为标准烛光，提供从我们的眼球到整个宇宙的距离尺度的方式，BAO 提供了一个标准尺子——一个横跨天空的横向间隔的长度尺度。科学家可以测量 CMB 中振荡密度之间的距离，然后在空间和时间上追踪这些距离的增长，因为这些密度聚集到星系团中。BAO 宇宙学专家埃利斯称其为“可能是追踪宇宙膨胀历史最干净的方式”。

天文学家正在等待两项主要 BAO 巡天的结果，这些巡天应该能够让他们重建宇宙在宇宙早期各个时代的演化。位于亚利桑那州基特峰国家天文台的尼古拉斯·U·马亚尔机器人望远镜上的暗能量光谱仪 (DESI) 正在收集约 3500 万个星系、类星体和恒星的光谱（光线分解为其组成波长），天文学家将能够从中构建一个 3D 地图，从附近的物体延伸回宇宙大约是现在年龄的四分之一的时间。2023 年 6 月发布的第一批数据包含近 200 万个物体，研究人员目前正在研究这些物体。

2025 年，主焦点光谱仪——安装在夏威夷莫纳克亚山 8.2 米斯巴鲁望远镜上的仪器——将开始跟进 DESI 的结果，但距离甚至更远，合作组织（埃利斯是联合首席研究员）将从中完成他们自己的 3D 地图。欧洲航天局的欧几里得航天器于 2023 年 7 月 1 日发射，它将为其自身的星系演化巡天贡献 BAO 目录，但它还将采用第二种非超新星方法来测量暗能量的性质：弱引力透镜。

这种相对较新的方法利用了一种广义相对论效应。足够大的质量物体（例如星系或星系团）可以充当更遥远物体的放大镜，因为质量会弯曲光线的路径。然后，天文学家可以对星系聚类强度随时间的增长进行排序，以追踪物质的引力吸引力与暗能量的排斥效应之间的竞争。欧几里得的数据应该在未来两三年内可用。

珀尔马特说，自从发现加速以来，宇宙学家一直希望进行一项可以提供“20 倍更高精度”的实验，“我们现在终于有可能在未来五年内看到当我们达到这个水平时会发生什么。”

二十五年前，《科学》杂志将暗能量评为 1998 年的“年度突破”。从那时起，两个开创性的团队及其领导者获得了无数奖项，最终在 2011 年获得了诺贝尔物理学奖，获奖者包括珀尔马特（现为加州大学伯克利分校物理学教授和伯克利实验室高级科学家）、里斯（约翰·霍普金斯大学和太空望远镜科学研究所的杰出教授）和施密特（澳大利亚国立大学前副校长）。暗能量早已成为标准宇宙学模型的必要组成部分，与重子物质、暗物质和暴胀并列。

然而……正如科学中始终存在的那样，可能存在一些基本假设是错误的——例如，正如一些理论家所假设的那样，我们可能对引力有错误的理解。这样的错误会扭曲数据，在这种情况下，BAO 测量和欧几里得的弱引力透镜结果将出现分歧，宇宙学家将需要重新思考他们的既定事实。

从科学的角度来看，这种结果不会是最糟糕的事情。“物理学家通常进入物理学领域，不是因为渴望理解我们已经知道的东西，”珀尔马特多年前告诉我，“而是渴望捕捉宇宙在做真正奇异的事情的行为。我们喜欢我们的关于世界的普通直觉可能会被愚弄这一事实。”

“我很高兴我说过那句话，”当我现在提醒他那句话时，他说，“因为那感觉确实很像我在我周围看到的一切。” 尽管如此，在谈到进展（或缺乏进展）时，他说，“这很缓慢。” 他笑了。“拥有神秘感很好，但如果实验方面或理论方面能有更多进展就更好了。”

也许即将到来的数据洪流将帮助理论家们辨别暗能量在不断变化的空间和时间中的行为方式，这将大大有助于确定宇宙的命运。在那之前，决心写下宇宙故事最后一章的这一代科学家将不得不满足于一个更谦虚的结论：未完待续。