石家庄行唐县玉城中学:【2011诺贝尔奖?物理学】意料之外的宇宙

2011-10-13

观测结果给出了相反的结论：宇宙膨胀并没有减速，而是在加速。
宇宙学家们早就知道索尔·保穆特（Saul Perlmutter）要获诺贝尔奖，至于是哪一年的10月，只是个时间问题。在他做出那项重要发现10周年之际的2008年，《科学美国人》杂志曾问他是否每到十月份就会激动起来，他回答说：“人们可以把一辈子的时间都用来期待诺奖，这不是一个很健康的心理状态。”
事实证明，保穆特并不需要期待一辈子，他的诺贝尔奖来得还算比较快。2011年10月，瑞典皇家科学院决定将今年的诺贝尔物理奖授予保穆特，以及他的竞争对手布里安·施密特（Brian P. Schmidt）和亚当·里斯（Adam G. Riess）。他们的获奖工作是“通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀”。
1998年，保穆特的团队和施密特的团队分别独立宣称发现宇宙加速膨胀。据同行讲，他们之间的竞争“很激烈”，为究竟是谁率先做出了这项发现而争执不下。2008年，在一次暗物质研究的国际会议上，先是保穆特团队的一位老先生上台说，保穆特早就在自己大学的讲座里提到了这项发现。而施密特团队的人则上台反驳，称保穆特那番讲座只不过是举了一个例子，并不是在说明实际的观测结果。甚至，阵营之中还有人在自己撰写的科普书中暗暗嘲讽对方。
“现在同时获得了诺贝尔奖，他们的争执大概也就了结了。”中科院国家天文台宇宙暗物质暗能量组首席科学家陈学雷对南方周末记者说。

美国科学家保穆特 （CFP/图）
从“不靠谱”的研究出发
索尔·保穆特，1959年出生于美国伊利诺伊州，天体物理学家。他一开始所从事的研究在许多天文学家看来都相当“不靠谱”。那是在1990年代，保穆特所在的劳伦斯伯克利实验室（LBL）从美国一名军工科学家那里获得启发，研制了一套自动搜寻天体的系统。实验室当时想用这套系统来寻找所谓的“复仇之星”（Nemesis），也就是在一些人的假想之中，那颗太阳的伴星，它造成了地球历史上的生物大灭绝。
实际上，劳伦斯伯克利实验室从建立之初就散发出特异的气息，因为它的创始人是路易斯·阿尔瓦雷茨（Luis Alvarez）。用保穆特的话来讲，此人的风格就是“寻找有趣的科学——不管它在哪，然后找到工具去研究它们”。美国在广岛投下原子弹时，阿尔瓦雷茨是在轰炸机上测量爆炸效果的科学家。他曾钻到金字塔内部，记录宇宙线打穿金字塔之后的状况，以期揭示金字塔的内部结构。他首先提出了恐龙灭绝是由小行星撞击导致的。他还因为发明高能物理实验中用到的气泡室而获得了1968年的诺贝尔奖。
就是在阿尔瓦雷茨建立的这种由着兴趣来的研究风气中，劳伦斯伯克利实验室开始寻找那颗“复仇之星”。他们理所当然地没有找到“复仇之星”。但这也并不是说他们一无所获。他们在这个过程中意识到，运用相同的技术，能够去寻找超新星。
超新星是一些质量较大的恒星演化到晚期发生爆炸所产生的天体。它们在短时间内很明亮，一颗超新星的亮度可以相当于整个星系。超新星中有一类被称作Ia型超新星，天文学家认为它的亮度是固定的，可以当作“标准烛光”来使用。也就是说，它离我们越远，我们看到它就越暗，由此在天文学中可以用它们来测量距离。
劳伦斯伯克利实验室后来将研究方向由“复仇之星”转向了寻找宇宙中的“标准烛光”。但是搜寻超新星也不是一件容易的事情。尽管它们本身很明亮，但由于距离遥远，在地球上看来，超新星还是相当的暗弱。另一个困难在于，超新星爆发之前并不会做出预告，而天文学家的望远镜使用时间是提前至少几个月就申请好的，所以当超新星出现时，你并不一定能有可用的望远镜。保穆特曾经给世界各地的天文学家打电话请求他们协助观测，但这些人当然都会认为自己手头在做的事情更重要，所以并不是每次都配合。
由于种种障碍，劳伦斯伯克利实验室搜寻超新星的项目一开始是两手空空，一些研究人员对此感到悲观，有人转行去做科普了，也有人去研究更为现实的气候变化问题。保穆特是少数坚持了下来的人。他后来接掌这个项目的时候，正是它最让人黯然的时期，当时他们一颗超新星都没有发现。但是美国的资助机构却继续给了他们经费，支持这项看上去毫无成果可言的研究。
“2011年诺贝尔物理奖带给我们的一个启示就是，你根据什么标准来判断是否资助一项研究。”陈学雷感慨道，“要通过真正懂行的专家来评估它，考虑其具体的方案，看它在科学和技术上是否具有前景。如果仅仅看有没有发表论文，或者是否完成了计划，那么这种评估就是任何人，甚至是一个管理者就能做的了。”

美国科学家里斯 （CFP/图）

澳大利亚科学家施密特 （CFP/图）
并不存在的错误
与保穆特相比，澳大利亚国立大学的施密特和美国约翰·霍普金斯大学的里斯，都是更为“正统”的天体物理学家。施密特1967年出生于美国，他在哈佛大学读博期间的工作便是与著名天文学家罗伯特·科什那（Robert Kirshner）一起用超新星测距。里斯1969年出生于华盛顿，同样师从科什那，同样做的是用超新星测距的工作。
也正因为他们从一开始就是从事这项工作，所以当他们试图用超新星去测量宇宙膨胀的时候，他们会很清楚弥漫在天文学家之中的悲观情绪。不仅仅是搜寻超新星非常困难，而且在它们是否能被当作标准烛光这个基本问题上，天文学家也有诸多怀疑。
但是他们仍然决定从事自己的老本行。1995年，施密特来到澳大利亚，开始调用地球上最大的望远镜搜寻超新星。他们倒是比较幸运，第一年便发现了一颗超新星。他们所使用的观测方法不同于保穆特的团队，不过二者心中的预期是相同的：发现宇宙膨胀正在减速。
大约在137亿年前，我们的宇宙在一次大爆炸中诞生，然后一直膨胀到今天。对于宇宙的未来，科学家们认为有三种可能性。一是膨胀会慢慢停止，然后整个宇宙再缩回去；一是宇宙会加速膨胀下去，变得越来越大，越来越冷，越来越空。最多的人认为，膨胀会减速，但介于以上二者之间。施密特、里斯和保穆特当时也是这样认为的。
但是，他们的观测结果却分明给出了相反的结论：宇宙膨胀并没有减速，而是在加速。里斯把所有数据处理完得到这个结论时，第一反应是：“啊，我犯了个可怕的错误，我得把这个错误找出来。”然后，他花了几个星期的时间寻找那个并不存在的错误，这个过程让他开始想到，这个结果会不会是正确的？
而在保穆特那边，他们也并不是一下子就发现了重大突破。他们也是在对数据的处理过程中慢慢意识到事情的不同寻常。他们没有像阿基米德那样在泡澡的时候突然喊出“Euraka！”（找到了），而是在持续九个月的时间里逐个拼出以上六个字母。
竞争的一个好处就是，它让里斯看到，原来其他人也得到了与他们相同的结论。于是，他的想法从“我犯了个可怕的错误”转变为，“我的天哪，这可能是正确答案！”
随着两个团队分别发表自己独立的研究结果，“宇宙在加速膨胀”成了为1998年最大的科学突破。天文学家为了解释这一现象，提出了“暗能量”的概念。正是在暗能量的驱动下，宇宙出现了加速膨胀。
暗能量和暗物质成为了或许是21世纪初最令天体物理学家们迷惑的课题，它们的实质至今尚未清楚。现在知道的是，我们的宇宙由大约70%的暗能量、26%的暗物质和4%的普通物质组成。我们的身体、我们所用到的一切，我们看到的天上所有的星星，都只属于那4%的宇宙。