本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
几年前，我搬到洛杉矶后不久，时间领主的大学同学布莱恩·施密特来到镇上，我们带他去了一家附近的西班牙小吃店吃点心和皮斯科酸酒。我记得那天晚上他们正在拍摄威尔·史密斯电影的一个场景，所以附近的店面布满了假的弹孔，奇怪的假枪声和爆炸声打断了我们的谈话。布莱恩不为所动，向我们讲述了他在澳大利亚的生活，他在那里一边做研究，一边经营着自己的酿酒厂——因此有了他的 Twitter 账号 @CosmicPinot。
道别后，当我们走回家时，我对时间领主评论说我有多喜欢布莱恩：“你的朋友真好。”（这是真的；时间领主几乎所有的朋友都很棒，但话说回来，我偏爱物理学家。）他同意了，并补充说：“而且你知道吗？他绝对有一天会获得诺贝尔奖。”
那一天到来了，也许比施密特和他的研究同事预期的还要早一点。今天早上宣布，2011 年诺贝尔物理学奖授予了 加州大学伯克利分校的索尔·珀尔马特；澳大利亚国立大学韦斯顿克里克的布莱恩·施密特；以及约翰·霍普金斯大学的天文学教授和太空望远镜科学研究所的亚当·里斯，“因为他们对爆炸恒星的研究表明宇宙正在加速膨胀。”
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续报道关于发现和塑造我们今天世界的想法的具有影响力的故事。
施密特是 High-Z 超新星搜索小组的负责人，里斯是由此产生的论文的第一作者；珀尔马特是 超新星宇宙学项目的负责人，也是由此产生的论文的第一作者。他们从此以后一直保持着友好的模拟竞争。（照片：施密特，左，与珀尔马特，右，就谁对膨胀率做出了最佳测量展开较量。图片来源：德克萨斯 A&M 大学宇宙学家尼古拉斯·桑特泽夫。）
这恰如其分地结束了探索宇宙奥秘的史诗传奇的开端。因为我们目前对这种观测到的加速最可能的解释是一种叫做暗能量的神秘物质，它构成了宇宙中所有“物质”的惊人 73%。
爱因斯坦的“权宜之计”
曾经，物理学家们认为宇宙是静态的、不变的，是一个将永远运行的天体钟表装置。当阿尔伯特·爱因斯坦在 1917 年构建他的广义相对论时，他的计算表明宇宙应该正在膨胀。但到那时为止的所有观测都显示宇宙是静态的。因此他认为他的计算是不正确的，并在他的方程中引入了一个数学上的“权宜之计”，称为宇宙学常数，或 lambda。它暗示了一种遍布空间的排斥力的存在，这种力抵消了将星系聚集在一起的引力。这平衡了“推”和“拉”，从而使宇宙确实是静态的。
爱因斯坦应该相信自己的直觉。十二年后，埃德温·哈勃正在研究遥远的星系，并注意到它们发出的光中有一种有趣的效应：它具有明显的“多普勒频移”，偏向电磁光谱的红色端。基本上，当光源朝向观察者移动时，其发出的光的波长会压缩并向光谱的蓝色端移动。当远离观察者移动时，波长会拉伸，光会向光谱的红色端移动。
哈勃推断，这只有在光线穿过正在膨胀的空间时才会发生。结论是不可避免的。爱因斯坦最初的方程是正确的，不需要宇宙学常数。宇宙仍在膨胀。这就是为什么爱因斯坦后来公开谴责 lambda 是他“最大的错误”。
这一发现彻底颠覆了宇宙学。科学家们推断，如果宇宙仍在膨胀，那么引力的吸引力最终会减缓膨胀速度。他们在接下来的 70 年里一直在尝试测量这个速度。如果他们知道膨胀速度随时间的变化情况，他们就可以推断出宇宙的形状。而宇宙的形状被认为决定了它的命运。
物质使其周围的空间和时间弯曲，并产生我们所认识的引力。物质越多，引力就越强，空间弯曲得就越多——这使得当前的膨胀更有可能停止，宇宙会以“大坍缩”的形式重新坍缩。如果物质不够多，引力的吸引力会随着星系和其他天体的距离越来越远而逐渐减弱，宇宙将永远膨胀，基本上没有尽头。一个平坦的宇宙，具有恰到好处的物质平衡，意味着膨胀将无限期地减速，而不会重新坍缩。
一个平坦的宇宙是首选方案；科学家们只需要精确测量加速率来证实这一预测。
更快，更快……
再次，爱因斯坦在否定他的工作时有点操之过急。1998 年，两个独立的物理学家团队使用遥远的超新星作为里程碑测量了宇宙膨胀率的变化：一个由珀尔马特领导，另一个由施密特领导。时间领主在 1990 年代初期与施密特共用一间办公室。正如他在他的书《从永恒到此》中所说
我是理想主义的理论家，他是务实的观察者。在那些日子里，当大规模天文观测技术还处于起步阶段时，人们普遍认为，测量宇宙学参数是一项愚蠢的任务，注定会受到巨大的不确定性的困扰，这将阻止我们以我们期望的精度确定宇宙的大小和形状。布莱恩和我打了一个赌，关于我们是否能够在 20 年内准确测量宇宙的总物质密度。我说我们会；布莱恩确信我们不会。我们当时是贫穷的研究生，但购买了一小瓶陈年波特酒，秘密存放了二十年，然后我们才知道谁赢了。对我们俩来说幸运的是，我们很早就知道了答案。我赢得了赌注，这在很大程度上归功于布莱恩本人的努力。2005 年，我们在哈佛大学昆西楼的屋顶上分享了那瓶波特酒。
为什么是超新星？它们是我们拥有的最好的“标准烛光”。由于它们是宇宙中最明亮的天体之一，这些爆炸的恒星可以帮助天文学家确定太空中的距离。
通过将这些距离与超新星的光线发生红移的程度相匹配，这两个团队可以计算出膨胀率随时间的变化情况。从 100 亿年前的源头开始穿越空间的光线，其红移将明显比仅从 10 亿年前的源头发射的光线更明显。
当哈勃在 1929 年进行测量时，最远的红移星系大约在 600 万光年之外。如果膨胀现在正在减速，那么这些遥远星系中的超新星应该比它们的红移所暗示的更亮、更近。
相反，情况恰恰相反。在高红移处，最遥远的超新星比宇宙减速时应有的亮度更暗。对此唯一合理的解释是，宇宙的膨胀不是逐渐减速，而是在加速。
这是奇怪且完全出乎意料的。自 1998 年以来，宇宙学家一直在努力解决这一重大发现所暗示的一系列新问题，其中最重要的是神秘的暗能量的构成，这种暗能量似乎正在赢得宇宙的拔河比赛。
这一发现再次颠覆了宇宙学。现在的说法是这样的：在宇宙存在的早期，暗物质占主导地位。一切都靠得更近，所以它的密度高于暗能量的密度，它的引力也更强。这导致了形成早期星系的团块。但是，随着宇宙继续膨胀，暗物质密度以及由此产生的引力减小，直到小于暗能量的引力。因此，现在占主导地位的暗能量不是像预期的那样减缓膨胀速度，而是开始以越来越快的速度将宇宙推开。
这种暗能量从何而来？这是最大的问题。但这证明了爱因斯坦的天才之处，即使他的错误也被证明是重要的。请记住他的“权宜之计”，Lambda 暗示了一种排斥形式的引力的存在，而最简单的例子就是真空能。量子物理学认为，即使是最空旷的真空中也充满了能量，能量以“虚”粒子的形式存在，这些粒子闪烁出现又消失，在复杂的量子舞蹈中飞散又聚拢。这种翻腾的虚粒子海洋可能会产生暗能量，给宇宙一点额外的推力，使其能够继续加速。
问题在于数字对不上。量子真空包含的能量太多：大约多出 10120 倍。因此，宇宙的加速应该比现在快得多。另一种理论提出，宇宙可能充满了更奇特的、波动的暗能量形式，称为“精质”。然而，迄今为止的所有观测都表明暗能量是恒定的，而不是波动的。
因此，科学家们必须考虑更多的可能性。暗能量可能是弦理论预测的看不见的额外维度的影响的结果。或者，暗能量可能是由于中微子（最轻的物质粒子）与假想粒子“加速子”相互作用造成的。一些科学家推测，暗物质和暗能量来自同一个来源——他们只是不知道这个来源可能是什么。然而，同样有可能的是两者之间没有任何联系，而且两者是非常不同的东西。或者，也许根本没有暗能量这种东西，我们需要修改爱因斯坦的广义相对论，和/或设计一种量子引力理论。
科学家们喜欢探索未知，所以对于宇宙学家来说，这是一个激动人心的时代。祝贺施密特、里斯和珀尔马特获得当之无愧的荣誉——并期待未来更多值得获得诺贝尔奖的发现！