——2011年諾貝爾物理學獎新貢獻
百科聚焦
作者：李競
宇宙在“大爆炸”中誕生，但會往何處去呢？獲得2011年諾貝爾物理學獎的美、澳三位天體物理學家，通過對超新星的觀測給出了答案：宇宙膨脹不斷加速，而且逐漸變冷。這個發現，被瑞典皇家科學院稱為“震動了宇宙學的基礎”。為什麼說此發現意義如此重大呢？我們還是先從人們對宇宙的認識說起。
宇宙原來不是無限的，時空也不是永恒的
20世紀20年代以前，如果有人提問：“我們的宇宙從何而來？又將走向何方？”科學家都無法回答。因為直到那時，科學家運用牛頓力學考察宇宙，得出的科學結論是：“我們的宇宙無論是時間還是空間都是永恒的、無限的。我們的時空沒有起點，也沒有終了。”這就是距今不到百年前的科學宇宙觀。
1929年，美國天文學家哈勃（1889～1953）根據觀測發現星係距離的遠近和星係譜線紅移的大小成正比，即星係距離越遠，它們四向退行的速度越大。後人將觀測到的這一天象稱為“哈勃定律”。哈勃定律顯示的就是宇宙的時空整體在四向膨脹。宇宙既然在膨脹，必然有膨脹的起點，所以，宇宙一定有誕生；既然有誕生，就一定有迄今為止的年齡，以及誕生之後，膨脹至今的大小領域，因此，宇宙不是無始無終的，不是無限的，而是有限的；既然有年齡，就必然有生老病死，所以宇宙就不是永恒的和寧靜的，而是演化的和動態的。這一來，完全顛覆了傳統的奉為經典的宇宙觀。
宇宙膨脹的發現、取證和確認，被認為是20世紀最重要的、意義深遠的天文進展和成就，它改變了世人和公眾對宇宙麵貌和本原的認知和理解。
宇宙的膨脹起源於“大爆炸”
自從得知“宇宙膨脹”這一新天象之後，有的公眾就問，如果宇宙確實在膨脹，為何感知不到月球、火星、木星、太陽在遠離地球而去，也沒聽說太陽係在膨脹，銀河係在膨脹呢？如果再往下問就是：宇宙為什麼會膨脹？膨脹之力來自何方？宇宙未來的命運會是什麼？
關於地球人為什麼感覺不到“宇宙膨脹”的疑問，不難解答。宇宙膨脹的速率是多少呢？根據2011年最新修訂的測定值是：每300萬光年每秒 73.8 千米。就是說，在每300萬光年遼闊的空間領域內，每秒的膨脹速率是 73.8千米。要知道地月距離才1光秒多，日地距離8光分多，太陽係“半徑”（太陽～海王星的距離）約5光時。在這樣小的空間範圍，當然察覺不出“宇宙膨脹”。不僅如此，即便在太陽係到銀河係的兩個伴星係（大麥哲倫雲和小麥哲倫雲）的50～60萬光年的空間領域，以及地球到距離最近的大旋渦星係——仙女星係的約220萬光年的空間範圍，由於膨脹速率小於星係自身的空間運動速度而不易察覺。隻有當宇宙的空間尺度遠大於幾百萬光年的前提下，宇宙的膨脹才顯現，並成為宇宙大尺度結構的最主要特征。
宇宙一直膨脹下去嗎？
哈勃自從確認星係的普遍紅移現象並建立了哈勃定律之後，隨即和他的科研同仁持續地探究：在更深遠的空間，哈勃定律是否繼續有效？膨脹速率是恒定的嗎？會不會減速？
20世紀下半葉，隨著更多的大型光學望遠鏡的興建問世，科學家繼續向更深遠的天際進軍，將探究的距離擴展到40～50億光年的遠處。結果發現，哈勃定律仍然有效，宇宙依舊穩步地四向膨脹。進入80年代，隨著科技的進步，一批口徑8～10級的巨型光學望遠鏡的陸續落成，觀天、新型探測器件取代了經典的照相手段、以及計算機在天文觀測和數據處理的廣泛運用，宇宙的大尺度結構的探索已向50億光年以遠的更遠處進發。
選好“量天尺”
不少公眾都知道，“光年”是天文學中一種長度計量單位。在太陽係之外的星際空間，恒星之間的距離，通常以幾十、幾百、幾千光年為計。在銀河係之外的星係際空間的距離，近則幾百萬光年、上千萬光年，遠則幾億、幾十億光年。人們不禁要問，如此遼闊的距離究竟是如何測量的？
首先一定要搞明白“光度”和“亮度”這兩個內涵不同的詞。光度是發光體本身固有的發光本領。例如，一個100瓦的燈泡，它的光度就是100瓦。亮度則是觀測者看上去的明亮程度，與發光體的距離有關。100瓦的燈泡，放在距離10米處，看上去很亮；若改放在距離100米處，看上去就暗多了。根據物理知識——亮度和距離的平方成反比，這樣，距離遠了10倍，亮度暗了100倍。距離100米處的100瓦燈泡，看上去亮度隻有1瓦。這樣，在知道這隻燈泡的光度確係100瓦的前提下，再將它置於還能看得見的遠處，隻需測定它的亮度，就能依據“距離平方的反比”定則，準確推算出遠處燈泡的距離。我們可以將已知光度的燈泡稱為一個“標準燭光”。天文學家領悟到可以運用類似的“標準燭光”方法去測定天體之間的距離。然而，在茫茫宇宙中，能夠成為“標準燭光”的天體是什麼？