亚斯和威尔逊,他们做了一个非常精密的辐射探测器,他们做一个什么题目呢?做一个就是当时在20世纪60年代的时候,美国已经发射了一些空间探测器,就是如何使这些探测器飞到很远的地方,还能跟地面取得很好的通讯联系。他们两个人在研究,如何使这个仪器接收遥远的微弱信号,还能把数据记录下来。他们两个就做这个题目。结果他们探测来,探测去,就总有一个噪音无法消除。他们排除了一切周围的干扰,一切可能有的噪音。他们确信,他们的仪器中没有混进他们已知的任何人为的环境造成的噪音。他们认为,他们探测到的,消除不了的噪音是客观存在的,而且这个消除不了的微波噪音,在微波波段十几厘处,它肯定是宇宙中固有的。他们得到的这个噪音要换算成为热温度,是黑体辐射3K。在1965年他们终于把十多年前,将近二十年前阿尔法和赫尔曼预言的3K背景辐射找到了。这两个人,彭齐亚斯和威尔逊得了诺贝尔奖。这幅图就是艺术家在描述伽莫夫预言最开始的一瞬间,大爆炸极高的温度,极大的压力,到现在今日形成这样的哈勃称之为星云。现在把他它已经称为星系的天体,四向膨胀。
那么现在要问了,我们宇宙向何处去。我们都知道,就是在20世纪末,一切关于谈宇宙的书籍都会提到,说我们的宇宙今后可能有三种命运:一种命运,引力最终占上风。由于物质足够得多,最后引力克服四向膨胀的力量,宇宙不再膨胀。宇宙不再膨胀之后,当引力占上风,占一点点上风的时候,就开始收缩,我们的宇宙就开始大收缩,这是第一种。第二种可能就是一直膨胀下去,按照哈勃的线性关系,无穷无尽地一直膨胀下去。第三种它可能膨胀之后又收缩,收缩之后又膨胀,变成反复的脉动。你们去看,凡是2000年前出的一切天文书都预言我们宇宙的命运可能有这三种类型。可是今天我们已经知道了,已经比较明确地知道了,我们的命运只有一种,加速膨胀。
要想叫它终止膨胀,就是我们宇宙总物质的平均密度必须得达到这样一个量级,才能最终战胜膨胀的力量,终止膨胀。可是现在看见的是这个值,要想终止膨胀是10-31克/立方厘米,可是现在测定的平均密度值是10-33克/立方厘米,差了两个量级,膨胀收不住。但是这个值对不对呢?这个值是怎么测出来的呢?是这样测定的。一直到了20世纪60~70年代,天文学家还普遍地认为,宇宙中的物质主要的表现形式是恒星,就是宇宙的物质主要都存在恒星上。因此你把宇宙中所有的恒星加在一起,这就是宇宙的总质量。但是后来知道,在宇宙中还有看不见的,但是从引力上能表现出来它们存在的,然后就把这类看不见的物质冠上一个普通名词,因为没有办法,用了普通名词来描述它,叫做暗物质。大家注意,我可没说反物质,我说的是暗物质。暗物质就是dark matter 的直译,dark matter是包括了行星,包括了黑洞,凡是你看不见的,探测不出来的,但是它存在着的,还有那些遥远的小星系,因为你也看不见。所以暗物质是在上个世纪七、八十年代之后一个热门的探测对象,找暗物质。但是暗物质找来找去,暗物质的量也不足以达到这个10-31克/立方厘米,就是在这儿再加上一些暗物质,也达不到这个量。
那么我们的宇宙是不是就一直膨胀下去呢?大家认为,可能还有你不知道的暗物质。就在这个时候,天文学家在这里关心另外一件事情,就是根据引力作用来估量出来的发光天体,和其他有关的天体,包括星云等等都在内的,只占15%,而其他的暗物质应该占85%,但是现在已知的暗物质就凑不足这个数,凑不出85%来,天文学家就很彷徨,很彷徨的时候,天文学家在解决另外一个问题。这个问题是什么呢?就是希望能回答,我们的宇宙大爆炸事件之后,在宇宙中的物质分布是极端地均匀,一锅热汤,这一锅热汤怎么会就变成今日观察到的物质分布得极端不均匀,怎么回事。
在20世纪80年代,曾有天文学家提出了一个假说。假如在大爆炸那个事件开始之后,在一个极短瞬间,突然间有一个加速膨胀的阶段,这个加速膨胀的阶段非常短暂,短于一秒钟,它甚至于可以超光速,因为它不是天体,是一个群速度。如果有那么一个阶段,这个阶段被称之为“暴胀”阶段,这“暴胀”就是通货膨胀那个字,“inflation”。如果有那么一个阶段,那就是变成了一个微弱的扰动,有那么个微弱的扰动,就会形成今日的物质极端不均匀,这就解释了今天的星系怎么会形成。但是这是一个假说,这个“暴胀”阶段是不是有呢?如果有“暴胀”阶段,今日观察到的3K背景辐射就应该有一定程度上的各向异性。而在20多年前,观察到的背景辐射都是各向同性,非常均匀的3K。那么在20世纪80年代末,天文学家曾创造了一种特别灵敏的仪器,这个特别灵敏仪器搁在卫星上,上天之后很快就下来数据了,果然量出来的,有千分之一的各向异性。这证明什么呢?那个“暴胀”阶段是存在着的。因为只要是有“暴胀”阶段,就会出现各向异性。各向异性果然探测出来了。这是个伟大的成就,这件成就也写入了《科学》杂志当年的十大进展之一。
又过了一些年,大家还希望能够进一步了解宇宙命运问题。在这里有几组天文学家做着完全不同类型的探索。咱们先说第一种。哈勃空间望远镜升天了,1990年发射的。升天之后,他们就申请了一个项目,来探测50亿光年之外的暗天体,50亿光年之外探测什么暗天体,去找50亿光年以及更遥远的超新星。超新星一爆炸,它的光度可以跟一个星系的总光度相比美。他们申请到了观测时间,就叫哈勃空间望远镜去搜索某些指定天区。去给它录像,当然是用数码相机了。然后把这个天区的图像存在计算机中,过两天,再拍它,再拍这个天区。第二次得到的图像又传回地球,和计算机储存的前一天的那个图像对比。结果发现观测到的所有80亿光年以外的超新星的实际距离都比用哈勃定律算出来的更远。1998年的这项发现震惊了世界,得到了当年《科学》杂志十大科学进展之一。通过遥远宇宙的超新星观察,发现我们的宇宙膨胀在加速。这就是上世纪末的一个重大发现。这个工作还继续做,不仅继续做,而且还希望观测100亿光年之外的超新星。现在正设计,正在研制,正在筹款做更大的望远镜,专门到大气之外去,当然比哈勃望远镜还要大的望远镜,到天上去,去搜寻更遥远的超新星,进一步探索宇宙膨胀加速之谜。
这样到了上个世纪末,天文学家已经知道了,原来我们的宇宙膨胀在加速。这是不是局部的情况呢?还是整体都如此呢?为此,应该进行类似于90年代那个COBE探测器,就是背景辐射的起伏是不是各向同性的工作。在1998年一个科学家小组,用一个毫米波探测器,把这个探测器搁在气球上,在南极地区叫它升空。为什么搁在南极地区上空呢?因为它升空以后,在南极地区跟北极地区都有这样的情况,就是有长夜,日不出,北极是白昼的时候,南极是长夜,连续半年都没有太阳,就没有了一个辐射干扰源。探测的结果再一次肯定“暴胀”确实存在。这是上世纪末,2000年的《科学》杂志的十大进展之一。
2001年另外一个科学家小组在做微波背景辐射,就跟COBE类似,但灵敏度高得多。到了2003年初,公布了探测结果。这个结果是什么呢?根据它的起伏情况,可以肯定,它的起伏情况表明我们宇宙的几何特征是一个平直的。最后的结论就是我们的宇宙一直膨胀下去,而且是加速膨胀下去。
除了这三项实验工作之外,在同时进行的还有一个,另外一项长期的观测宇宙学的工作。这个工作是用光纤去做遥远星系的三维数据,就取得遥远星系的距离和它们的位置。根据这项研究所得出来的初步结论,就是看到了遥远的早期宇宙的物质分布情况。这个结论就是我们的宇宙从大爆炸到现在是137亿年,也就是说我们的宇宙的年龄是137亿年,其中发光天体包括我们太阳在内占4%,暗物质占23%,暗能量占73%,这就是一幅今天我们宇宙的图像,用这么4个数字来描述,一,年龄是137亿年,我们的宇宙大小就是137亿光年,然后里边的物质4%是可见天体, 23%是看不见的,引力效应表示其存在的暗物质,73%是暗能量,这dark energy是斥力性质的,本源不清楚,有待于今后进一步深入研究。而现在看来,这个dark energy不是一个变量,至少在300亿年的时间内不是一个变量。在更大的时空上还是不是继续为不变量,还不知道。因此在可见的未来,在300亿年期间内会是一直按照现在这样的一直加速膨胀下去。这就是今天我们要谈得,我们的膨胀宇宙在加速膨胀,谢谢大家。