宇宙为何会膨胀？这让爱因斯坦非常“懊恼”！

科技5年前 (2020)发布半式

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　　我国古代先人非常有智慧，在汉代古书刘安的《淮南子·齐俗》中，就提到过“四方上下谓之宇，往固来今谓之宙”，简单来说宇是空间，宙是时间，所以宇宙学是一门研究时空的学问。

　　在宇宙中，时间和空间基本上是一回事。因为当你看到宇宙深处的时候，你就看到了过去。我们通常提到的宇宙学长度单位：光年，看起来挺奇怪，像个时间单位，实际上是长度单位，代表是光走一年的距离。

　　光走一年的距离是多远呢？也不是很远，大概就是94600亿公里。那银河系有多大呢？直径十万光年以上，也就是说，从银河系的这一端走到另外一端，光要走十万年。

　　当你看到更遥远的星系，比如仙女座星系，距离地球250万光年，你看到的这个样子是它250万年前的样子，今天可能已经不存在了，另一个风车星系离我们更远，有2100万光年。

　　所以对研究宇宙学、天文学的人来说，“任时光匆匆流去，我只在乎你的过去”，看不到未来，我们只能通过过去了解宇宙发生了什么。

如何探索宇宙演化历史

　　要研究宇宙，你首先需要一个非常好的理论，而要创造一个好的理论，你需要一个聪明的大脑。爱因斯坦就建立了非常伟大的理论：广义相对论，但同时你还需要有非常好的观测方法去检验理论，其中多重宇宙探针就是用各种各样不同的手段去探索宇宙。

　　宇宙微波背景辐射是我们的一个观天利器，它的原理其实很简单，类似利用微波炉的波段去探测光子在全天区的分布，根据大爆炸理论的预言，在天空中有一个3K的微波背景辐射，这个微波背景辐射在天空的分布中带有大量宇宙学信息，因为这些光子是从宇宙大爆炸之后的38万光年飞到了我们的今天，携带了大量沿途的“风景”，所以我们说宇宙微波背景辐射是探索宇宙婴儿时期的利器。宇宙微波背景辐射研究（cosmic microwave background简称CMB）已经两次获得了诺贝尔物理学奖。

　　宇宙标准烛光：超新星

　　我们不仅可以通过看光子去研究早期宇宙发生了什么，我们还可以通过观测另一种星级—–超新星，它们被称作宇宙标准烛光，距离我们相对近一些。为什么称之为标准呢？因为它从爆发到死亡，光度随着时间是有规律的，我们可以利用超新星的光度去推断它和我们的距离。

　　另一方面，利用今天的光谱技术能够测算出速度，有了距离有了速度，科学家就可以测量很多有意思的宇宙信息，比如宇宙学参数等等。

　　通过超新星，1998年，科学家发现宇宙不仅在膨胀，并且是加速膨胀， 2011年的诺贝尔物理奖就颁发给了超新星相关的研究工作。

宇宙的标准的汽笛：引力波

　　引力波被称为宇宙的标准的汽笛，研究宇宙不仅可以靠看，还可以靠听。当两个致密天体相互并合绕转的时候，它会形成时空的涟漪，就像声音能被大家能听到一样，因为空气在声音传播当中压强发生了变化，引力波是时空的涟漪，本质上振动可以通过“声音”听到。而且引力波携带了非常重要的宇宙学的信息，所以被叫做标准汽笛。2017年引力波的相关研究也获得了诺贝尔奖。

　　宇宙标准尺：重子声波振荡

　　我的研究领域是做重子声波振荡，它被称作宇宙标准尺，前面有烛光可以看亮度，有汽笛可以听声音，标准尺可以测量距离。我们的方法是利用大量的星系样本，利用统计学的性质从里面提取宇宙的演化信息。重子声波振荡研究在2014年也获得了邵逸夫奖。

　　从这里不难看到，每一种研究方式都很重要。结合这些观测，我们今天能了解宇宙能量组成：4%是大家比较熟悉的普通物质。普通物质就是你、我、他、太阳、黑洞，这些都可以叫做普通物质，你可以看得见摸得着。剩下的96%都是我们不知道的，分成两部分，大概三分之二的是暗能量，剩下的是暗物质。

　　自从20世纪初设立诺贝尔物理奖以来，一百多次诺贝尔物理奖都颁给了这4%，大家可以猜测一下，还剩下96%的“诺贝尔奖”级研究工作等着我们去发现。

　　实际上，暗物质、暗能量方面的研究已经获得了多次诺贝尔奖，CMB研究获得过两次，加速膨胀研究2011年获得诺奖，引力波研究2017年获得诺奖，还有今年非常重要的Peebles的研究也获得了诺奖，他建立了一整套宇宙引力学的框架，如果没有他，我们今天的宇宙学研究是很难展开的，他的工作奠定了基础。

　　这就是我们今天所了解的宇宙演化历史，基本上可以分为三部分，宇宙的开端。在这个阶段宇宙的膨胀非常之迅速，是一个加速膨胀过程，就好像一个人在婴儿阶段生长是非常迅速的，在很短的时间之内从婴儿变成了一个巨婴。

　　中间这个过程宇宙在生长发育，我们都知道有引力作用，在引力作用之下，时空的膨胀大家可以想像，应该是减速的，因为是相互的吸引作用，在这种作用之下，宇宙慢慢的膨胀，宇宙结构在慢慢的生长，就像树苗一样。

　　直到60亿年前，宇宙不知为什么又开始加速膨胀，而且是炸裂式的生长，我们至今不知道原因。有些科学家认为是由于有暗能量的存在导致的，但是暗能量是什么我们并不知道，我们只能慢慢接近，利用我们今天的巡天观测，去分析它的性质，探索它的本质。

　　宇宙应该分为这样一些阶段：大爆炸、之后的暴涨，非常急速的膨胀。然后宇宙当中有一段时间是黑暗时代，这段时间宇宙里面没有发光的东西，因为第一代恒星没有形成，主要是氢。

　　大爆炸之后四亿年左右，宇宙第一次被点亮，这是第一代恒星的形成，之后宇宙里面有越来越多、越来越丰富的结构，恒星形成星系，星系形成星系团。

　　最近在60亿年前左右宇宙又开始了加速膨胀阶段，这也是我本人研究的主要方向。

　　宇宙加速膨胀阶段

　　我们先从最开始谈起，宇宙加速膨胀列几个数字大家感受一下，10的负36次方秒之内宇宙膨胀了10的26次方倍，不是物质在膨胀，而是时空本身在膨胀。

　　由于宇宙的膨胀，温度也从最开始的10的32次方度下降到了一千万度，在此时的婴儿宇宙里面开始存在一些基本粒子、光子、电子等等。

　　宇宙光子是最重要的媒介，不管你是用什么望远镜，光学望远镜、射电望远镜等，探测的都是光子，只是在不同的频率上而已。

　　探测光子的频率和微波炉的频率是比较接近的，用来观测在全天区当中不同温度的涨落。

　　上图中蓝色可能是温度低一些的，橙色的温度高一些，看起来毫无规律，但正是这毫无规律的天图，里面蕴含着丰富的宇宙学信息。

　　我们是如何知道宇宙有138亿年呢？就是通过上图。宇宙里70%的暗能量，20%的暗物质怎么知道的？也是通过这幅图。

　　这里讲到一个偶然的发现：彭齐亚斯和威尔逊当时是贝尔实验室的工程师，他们的工作是要降低射电天线的噪声，当他们把设备对准各个方向的时候，他们发现有一个噪声永远无法去掉，而且这个噪声非常均匀，跟指向哪个方向并没有关系。

　　而在同时代，不得不提到一位伟人，就是Peebles。Peeble当年提出一个理论，当时很多人认为宇宙是静态的，Peebles则认为宇宙不是静态的，并且开始了一次大爆炸，基于大爆炸残存的噪声这个信号大概有多少呢？他发现大概是3K即零下270对应的能量标度。

　　当这彭齐亚斯和威尔逊发现了这个噪声之后，他们马上联想到Peebles的这个工作，于是他们赶紧跑过去跟普林斯顿的科学家包括Peebles一起讨论，看看是不是预言的信号被我们发现了，最后，1978年彭齐亚斯和威尔逊获得了诺贝尔奖。

　　光子在宇宙大爆炸38万年之后变得自由，然后飞向我们，之后的宇宙就变的丰富多彩，在宇宙里存在暗物质。什么是暗物质呢？中午各位吃饭的时候可能吃了很多暗物质，它是物质，但是跟你没有相互作用，但正是这些暗物质的存在，使得我们的宇宙里面的结构可以形成。

　　我们通过数字模拟得到的宇宙形成演化。右图为数字模拟，已经和我们今天观测到的星系非常接近了，有各式各样形态的星系，椭圆星系、漩涡星系等等。因此，暗物质理论能够很好的满足今天的观测。

宇宙为什么会加速膨胀

　　接下来就是我的研究领域，也是我们如今未知最困惑的一个方面，就是宇宙的膨胀或者宇宙的加速膨胀。

　　说起这个问题还要从从一位“牛人”说起，就是牛顿，牛顿与苹果的故事可能大家都非常熟悉了，一个苹果砸到了智慧的大脑，于是牛顿发现了万有引力定律。他发现任何两体之间的互相吸引，但是却没告诉我们为什么，他只是发现了这个现象。

　　20世纪初，爱因斯坦建立了一个非常时髦的理论：相对论，当年没有几个人能理解。当爱因斯坦面对同样现象的时候，却陷入了深深的思考，他给出了一个完全不同的解释，为什么两体之间能够互相吸引呢？爱因斯坦认为是因为物质的存在会导致周围时空的扭曲，物质告诉时空怎么扭曲，时空反过来告诉物质怎么去运动。

　　爱因斯坦得到相对论之后，他迫不及待的把它运用到宇宙的研究，当时他发现有两个可能的解，一种情况就是宇宙要收缩，另外就是宇宙要膨胀。

　　这两个解爱因斯坦都非常不满意，因为没有人希望我们有一天坍缩到起点，或者膨胀的四分五裂。于是爱因斯坦在想，我怎么样让宇宙保持稳态，不膨胀也不收缩呢？

图注：大家看著名的爱因斯坦方程被印到火车上，说明它当时是多么的时尚多么的流行

　　对方程我们不去深究，它的意思就是时空曲率等于物质分布。物质分布可能有吸引的作用，你可以想象一个收缩的时空比较容易理解，因为物质之间有吸引作用，爱因斯坦认为宇宙不可能膨胀，所以就把膨胀这个解给排除掉了。于是他想如果宇宙是收缩的可能我还有办法，收缩是因为万有引力，我为什么不引入万有斥力让它不收缩呢？在1917年爱因斯坦创造性的在他的方程后边加入了一项，宇宙学常数，也就是最早的暗能量模型。

　　得到这个方程之后，爱因斯坦非常兴奋：我的宇宙终于完美的平静下来，而且我的广义相对论终于可以被完美的运用到宇宙上了。

　　但是时间没过多久，1929年，英国的科学家哈勃发现宇宙根本不是静态的，宇宙是在膨胀的，而且离我们越远，它的膨胀速率越快，是一个正比关系，今天的宇宙还在不停的膨胀，跟距离成正比。

　　你可以想象爱因斯坦得知这个消息的时候是什么表情，他说了一句话，翻译成中文就是“引入宇宙学常数是我一生犯的最大错误”，并且没有之一，非常懊悔。

　　但是故事并没有结束，1998年三位科学家利用超新星的研究发现：宇宙不仅在膨胀，而且还加速膨胀，大家想象一下当年爱因斯坦引入宇宙学常是为什么？是为了让宇宙不膨胀，他认为宇宙是收缩的，加入这个常数之后宇宙可以不膨胀。可是宇宙本来就是膨胀的，加入万有斥力之后是不是膨胀的更快？所以爱因斯坦完全是从错误的出发点得出了正确的结论。

　　这就是为什么你看98年的《Science》的杂志封面爱因斯坦的表情非常的复杂，很惊喜也很懊悔，科学也许就是这样。

　　加速膨胀研究在1998年就被列为十大科技进展之首。根据权威的一个国际机构暗能量特别工作组的报告介绍，认为暗能量的存在，说明我们今天对基本粒子或者引力理论的理解或者不正确，或者不完备，总之需要一场基础物理的革命。

　　当然这是一个重大的机遇，我们今天生活在精确宇宙学的时代，我们有非常高质量的数据，可以从里面提取暗能量的信息，暗能量的方向也是美国十年规划最高优先级的研究方向，也是我们国家十三五重点突破的基础前沿领域之首。

大规模星系巡天研究暗能量

　　研究暗能量有多种手段，我本人的研究就是利用大规模的星系巡天。

　　上图是我们从望远镜里面拍摄的部分的星系，每个点代表一个星系。我们就是利用类似一种人口普查的方式，对星系进行统计研究，叫做成团性分析。

　　根据测量得到的结果，发现在某一个特殊的尺度上，星系的对数非常多，我们用天文学的标度叫做100兆秒差距的这么一个尺度上，有一个局部的突起在那里。

　　这个突起的位置非常重要，因为它来自早期宇宙的信息，反过来就可以推测宇宙的年龄、宇宙的膨胀速率、宇宙的组分等等信息。所以在宇宙学当中，我们把它叫做宇宙标准尺，也叫做重子声波振荡，是非常重要的一个物理工具。

　　这张图展示了另外一个非常重要的效应，叫做红移畸变，它对于我们来说是一个信号。

　　我们利用黑洞在空间中的三维分布，去测量宇宙的膨胀历史和结构增长历史，这些东西可以帮助我们研究暗能量。利用星系巡天我们可以提取三部分最重要的信息，对应三大科学目标：

　　第一个是重子声波振荡，它探索的是宇宙膨胀历史，对应暗能量的性质。

　　第二个是红移畸变，因为宇宙结构增长是由引力做主导的，所以它可以研究引力的性质。

　　第三个是小尺度成团性可以帮助我们测量中微子质量。因为中微子绝对质量在地球上是很难研究的，你只能探测不同代的中微子质量的相对绝对平方差，但是宇宙学里面你可以测量中微子绝对质量。因为如果中微子过多的话，中微子有很高的速度，它会使很多小的结构无法形成，这些研究也都是未来获得诺贝尔奖、邵逸夫奖的研究方向。

　　回到暗能量，我们与合作组一起，测量了宇宙膨胀速率和结构增长率，可以测量一个非常关键的宇宙学的参数—-暗能量的状态方程。暗能量的所有性质体现在这么一个方程或者一个函数上：

　　横坐标是时间，纵坐标是状态方程：暗能量的压强和暗能量的密度之比。图中画了一条虚线，这是爱因斯坦在1917年预言的暗能量状态方程，是严格等于负1的。很多年来大家把爱因斯坦的这个模型称为标准宇宙暗能量模型，认为暗能量就是真空的能量，尽管有很多理论上的问题，但是大家也基本上广泛接受了。

　　2017年我们利用最新的天文观测，利用重子声波振荡，红移畸变等等，重建了暗能量随视线的演化历史，可以明显看到它不是等于负1，不是一个常数，而是随着时间而演化的。

　　蓝色的部分就是我们得到的误差，这个误差比较大也足够显著。我相信随着我们观测能力的提高，我们会慢慢接近暗能量的本质。