他们发现了宇宙在 加速膨胀

他们发现了宇宙在他们发现了宇宙在加速膨胀加速膨胀

20112011 年年 NobelNobel 物理学奖物理学奖

华东师范大学 钱振华

了觧宇宙学，学一奌宇宙学了觧宇宙学，学一奌宇宙学最近最近 1010 年，天体物理与宇宙学领域巳经三次获得诺贝尔物年，天体物理与宇宙学领域巳经三次获得诺贝尔物理学奖：理学奖：

20022002 年由于发现了宇宙中微中及年由于发现了宇宙中微中及 XX 射线源，载维斯与小射线源，载维斯与小柴昌俊等获奖。柴昌俊等获奖。

20062006 年利用年利用 COBECOBE 卫星发现了宇宙背景辐射的黑体辐射卫星发现了宇宙背景辐射的黑体辐射形式与各向异性，马瑟与斯穆特获奖。形式与各向异性，马瑟与斯穆特获奖。

20112011 年由于发现了宇宙加速膨胀，帕尔马特等三人获奖。年由于发现了宇宙加速膨胀，帕尔马特等三人获奖。

宇宙学巳成为物理学研究最活跃的前沿，宇宙学的进展又正宇宙学巳成为物理学研究最活跃的前沿，宇宙学的进展又正在推动物理学的进一步发展。今天了觧宇宙学，学一奌宇宙在推动物理学的进一步发展。今天了觧宇宙学，学一奌宇宙学，对于我们物理教学工作者是十分必要而有意义的！学，对于我们物理教学工作者是十分必要而有意义的！

瑞典皇家科学院瑞典皇家科学院 1010 月月 44 日宣布诺日宣布诺

贝尔物理学奖授于贝尔物理学奖授于

索尔索尔 ·· 帕尔马特帕尔马特（（ Saul ParlmutterSaul Parlmutter ））美国加卅理工大学美国加卅理工大学伯克利分校教授伯克利分校教授 5252 岁 岁 （（ 19591959 年）年）

布莱恩布莱恩 ·· 施密特施密特（（ Brian P SchmidtBrian P Schmidt ））澳大利亚国立大学教授澳大利亚国立大学教授 4444 岁岁 （ （ 19671967 年）年）

亚当亚当 ·· 里斯里斯（（ Adam G RiessAdam G Riess ） ） 美国约翰美国约翰 ·· 霍布金斯大霍布金斯大学教授学教授

4242 岁岁 （（ 19691969 年）年）

以上三位科学家都是天体物理学家从事一以上三位科学家都是天体物理学家从事一项称为超新星宇宙研究项目，他们正是在这项研究项称为超新星宇宙研究项目，他们正是在这项研究中发现了宇宙在加速膨胀。中发现了宇宙在加速膨胀。

这一发现震动了宇宙学的基础，改变了人这一发现震动了宇宙学的基础，改变了人类对世界的认识。类对世界的认识。

宇宙学 超新星 宇宙膨胀 宇宙学 超新星 宇宙膨胀 -------------------- 我们只有理觧了这些名词才能理觧今年我们只有理觧了这些名词才能理觧今年 NobelNobel 奖奖的意义。的意义。

什么是宇宙学？什么是宇宙学？宇宙是自然界一切物质的总称。宇宙是自然界一切物质的总称。

宇宙学是从总体上对宇宙的研究，包括宇宙的起源，宇宙的宇宙学是从总体上对宇宙的研究，包括宇宙的起源，宇宙的演化，宇宙的大尺度结构等。演化，宇宙的大尺度结构等。

大爆炸宇宙学是俄裔美藉科学家伽莫夫（大爆炸宇宙学是俄裔美藉科学家伽莫夫（ G.GamovG.Gamov ）与他）与他的学生在的学生在 19481948 年提出的一亇现代宇宙模型。年提出的一亇现代宇宙模型。

大爆炸宇宙学认为宇宙起源于大爆炸宇宙学认为宇宙起源于 140140 亿年前的一次时空大爆炸，亿年前的一次时空大爆炸，开始时宇宙温度很高，压力很大，整亇宇宙只是包含了电子、开始时宇宙温度很高，压力很大，整亇宇宙只是包含了电子、质子、中子等粒子的一团气体，以后随着宇宙不断膨胀、不质子、中子等粒子的一团气体，以后随着宇宙不断膨胀、不断降温，就出现了原子核，原子，分子及由它们组成的物质，断降温，就出现了原子核，原子，分子及由它们组成的物质，逐步演化为今日之宇宙。 逐步演化为今日之宇宙。

大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学（（ Big Bang)Big Bang)

A.A. 19481948 年由伽莫夫年由伽莫夫（（ G.Gamow 1904-1968)G.Gamow 1904-1968)提出，宇宙从原始奇点提出，宇宙从原始奇点的大爆炸中诞生，不断的大爆炸中诞生，不断膨胀，不断降温，不断膨胀，不断降温，不断演化出各种物质粒子，演化出各种物质粒子，包括化学元素均由演化包括化学元素均由演化产生，直至今日宇宙。产生，直至今日宇宙。

B.B. 要点：要点：11 ）宇宙诞生于）宇宙诞生于 137137 亿年前的一次奇点大爆亿年前的一次奇点大爆炸；炸；22 ）早期宇宙是高温，高密度的一团高度热）早期宇宙是高温，高密度的一团高度热平衡的气体；平衡的气体；33 ）早期宇宙气体由真空产生出的一些原初）早期宇宙气体由真空产生出的一些原初粒子组成粒子组成 ;;

44 ）宇宙不断膨胀，不断冷却，物质变得越）宇宙不断膨胀，不断冷却，物质变得越来越稀，物质粒子不断生成演化…………来越稀，物质粒子不断生成演化…………

ＣＣ .. 实验支持实验支持11 ）宇宙氦元素丰度（）宇宙氦元素丰度（ ~~25%25% ））22 ）宇宙年龄（）宇宙年龄（ HH-1 -1 ~ ~ 137137 亿年）亿年）33 ）宇宙微波背景辐射。）宇宙微波背景辐射。** 伽莫夫早在上世纪伽莫夫早在上世纪 4040 年代提出大爆炸年代提出大爆炸假说时，就预言背景光子现在的波长应假说时，就预言背景光子现在的波长应该在该在 1mm1mm 左右（微波段），温度为左右（微波段），温度为 10k10k左右。很可惜，伽莫夫的这一预言长期左右。很可惜，伽莫夫的这一预言长期无人相信，称伽的宇宙学为“画鬼学”无人相信，称伽的宇宙学为“画鬼学”

宇宙微波背景辐射 宇宙微波背景辐射 (CMB)(CMB)Cosmic Microwave Background RadiationCosmic Microwave Background Radiation

宇宙年龄在宇宙年龄在 3838 万年时，温度降至约万年时，温度降至约 3000k3000k ，，宇宙中开始出现原子，这时光子变为低能光宇宙中开始出现原子，这时光子变为低能光子，与原子不再耦合，宇宙进入“退耦代”，子，与原子不再耦合，宇宙进入“退耦代”，宇宙从此透明，光子通行无阻，直至今日，宇宙从此透明，光子通行无阻，直至今日，这时的光子称“宇宙背景光子”，这种光子这时的光子称“宇宙背景光子”，这种光子记录了宇宙早期（诞生时期）的重要信息。记录了宇宙早期（诞生时期）的重要信息。 直到直到 19641964 年为美国年为美国 BellBell 实验室的两位无实验室的两位无线电工程师偶然发现而证实。线电工程师偶然发现而证实。

19651965年年 PenziasPenzias、、 WilsonWilson在美国《天体物理在美国《天体物理杂志》上发表题为“在杂志》上发表题为“在 40804080 兆赫上额外的天兆赫上额外的天线温度测量”的文章。这是一篇纯无线电技术线温度测量”的文章。这是一篇纯无线电技术的短文，一点也没有宇宙学的色彩，却告诉了的短文，一点也没有宇宙学的色彩，却告诉了我们宇宙创生期的信息。正是这篇短文奠定了我们宇宙创生期的信息。正是这篇短文奠定了大爆炸宇宙学标准宇宙模型的地位，这两位无大爆炸宇宙学标准宇宙模型的地位，这两位无线电工程师也因此获得了线电工程师也因此获得了 19781978 年的年的 NobelNobel 物物理学奖理学奖

宇宙微波背景辐射已第二次获得宇宙微波背景辐射已第二次获得NobelNobel 物理学奖物理学奖

第一次获奖第一次获奖19641964 年年 PenziasPenzias、、 WilsonWilson在贝在贝尔尔

电话实验室霍姆代尔基地，共同电话实验室霍姆代尔基地，共同研究一架卫星通信用的天线。他研究一架卫星通信用的天线。他们总不能消除来自天顶的噪声，们总不能消除来自天顶的噪声，扣除大气及天线的影响后，还有扣除大气及天线的影响后，还有3.5K3.5K的噪声怎么也消除不掉。的噪声怎么也消除不掉。 与附近普林斯顿大学的迪克与附近普林斯顿大学的迪克（（ Dicke)Dicke) 联系后，才知道这个消联系后，才知道这个消不去的噪声正是他们致力寻求的不去的噪声正是他们致力寻求的宇宙背景辐射。宇宙背景辐射。

大爆炸宇宙学的主要观测证据大爆炸宇宙学的主要观测证据哈勃（哈勃（ E.P.HubbleE.P.Hubble ）） 19291929 年发现河外星系光谱线的红移现年发现河外星系光谱线的红移现象，说明绝大多数星系都在离我们而去，并得出了哈勃定律象，说明绝大多数星系都在离我们而去，并得出了哈勃定律

V=HV=H00RR ，， 从而得出了宇宙膨胀的结论。从而得出了宇宙膨胀的结论。

宇宙中氦元素的丰度测定为宇宙中氦元素的丰度测定为 2525％，与大爆炸理论作出的定量％，与大爆炸理论作出的定量的结论正好符合。（宇宙诞生的结论正好符合。（宇宙诞生 33 分钟后，中子与质子全部结分钟后，中子与质子全部结成原子核，宇宙中成原子核，宇宙中 3/43/4 是氢核，是氢核， 1/41/4 是氦核）。是氦核）。

大爆炸理论预言宇宙背景有余热，当今温度约为大爆炸理论预言宇宙背景有余热，当今温度约为 5K5K ，以黑，以黑体辐射形式存在。体辐射形式存在。 3K3K 宇宙背景辐射宇宙背景辐射 19641964 年被发现，从此大年被发现，从此大爆炸理论确立为标准模型地位，成了现代宇宙学的经典理论。爆炸理论确立为标准模型地位，成了现代宇宙学的经典理论。

宇宙膨胀是减速膨胀宇宙膨胀是减速膨胀根据大爆炸宇宙理论，宇宙大爆炸的动能根据大爆炸宇宙理论，宇宙大爆炸的动能由于引力的作用不断转化为引力势能，膨由于引力的作用不断转化为引力势能，膨胀只能是减速的。胀只能是减速的。

根据哈勃定律，宇宙动力学方程，可以算根据哈勃定律，宇宙动力学方程，可以算出今日宇宙应处于减速膨胀阶段。直到上出今日宇宙应处于减速膨胀阶段。直到上世纪末一直是这么认为的。世纪末一直是这么认为的。

如何发现宇宙在加速膨胀？如何发现宇宙在加速膨胀？（（ 11 ））

哈勃定律：哈勃定律： V=cz=HV=cz=H00RR Z=(λ-λZ=(λ-λ00)/λ)/λ00

目前哈勃常数目前哈勃常数 HH 的公认值为的公认值为 HH00=72km/(s =72km/(s · · Mpc)Mpc)

1Mpc=3.271Mpc=3.27 兆光年兆光年 哈勃定律的线性关係大致在哈勃定律的线性关係大致在 70-1000Mpc70-1000Mpc 的距离上的距离上成立，在更远的距离上不再保持。成立，在更远的距离上不再保持。

这里准确测量星系的距离是关键，那么遥远这里准确测量星系的距离是关键，那么遥远的天体距离是如何测出的呢？ 的天体距离是如何测出的呢？

如何发现宇宙在加速膨胀？如何发现宇宙在加速膨胀？（（ 22 ））

天体距离的阶梯测定法天体距离的阶梯测定法 11 、三角视差测距法（、三角视差测距法（ 1”=3.271”=3.27光年）光年）

22 、造父变星“标准烛光”法（、造父变星“标准烛光”法（ 30Mpc30Mpc ））

33 、整体星系法（、整体星系法（ 150Mpc150Mpc ））

44 、超新星“标准烛光”法（、超新星“标准烛光”法（ 2000Mpc=662000Mpc=66 亿光年）亿光年）

如何发现宇宙在加速膨胀？如何发现宇宙在加速膨胀？（（ 33 ））

关于超新星关于超新星 超新星实际是年老（晚期）的恒星。 按照恒星演超新星实际是年老（晚期）的恒星。 按照恒星演

化理论，当恒星处于主序星阶段（今日太阳），内部核燃化理论，当恒星处于主序星阶段（今日太阳），内部核燃料氢不断转化为氦及更重元素，这时恒星内部对外的压力料氢不断转化为氦及更重元素，这时恒星内部对外的压力与向内的引力平衡，处于稳定。一旦核燃料烧尽，其剩余与向内的引力平衡，处于稳定。一旦核燃料烧尽，其剩余质量超过质量超过 1.41.4太阳质量，称为钱德拉塞太阳质量，称为钱德拉塞 ChandrasekharChandrasekhar极极限，引力就会引起星体塌缩，短时间内释放出巨大的能量限，引力就会引起星体塌缩，短时间内释放出巨大的能量与物质，这就是超新星爆发，或称超新星。与物质，这就是超新星爆发，或称超新星。

恒星经超新星爆发后，一般会留下一亇“残骸”，恒星经超新星爆发后，一般会留下一亇“残骸”，视其残留质量的大小分别可为，白矮星、中子星或黑洞。视其残留质量的大小分别可为，白矮星、中子星或黑洞。

超新星爆发时，它的光度十分巨大，可达十亿亇超新星爆发时，它的光度十分巨大，可达十亿亇太阳的峰值光度。太阳的峰值光度。

如何发现宇宙在加速膨胀？如何发现宇宙在加速膨胀？（（ 44 ））

关于关于 Type IaType Ia 超新星超新星 这是一类比较特殊的超新星，它是由白婑星吸积了其伴这是一类比较特殊的超新星，它是由白婑星吸积了其伴

星的物质，当其质量超过星的物质，当其质量超过 1.4M1.4M⊙就发生爆发，但不生成“遗就发生爆发，但不生成“遗骸”，全部炸飞。骸”，全部炸飞。

IaIa 超新星不含氢和氦的谱线，含有超新星不含氢和氦的谱线，含有 615 nm615 nm硅（硅（ SiSi ）的吸）的吸收谱线。另外爆发时光度衰减的快慢与峰值光度相关，越亮收谱线。另外爆发时光度衰减的快慢与峰值光度相关，越亮衰减越慢。衰减越慢。

这类超新星爆发强度基本相同，所发出的光亮度也基本这类超新星爆发强度基本相同，所发出的光亮度也基本相同，可作为“标准烛光”，利用视亮度的强弱而测算其距相同，可作为“标准烛光”，利用视亮度的强弱而测算其距离。由于其亮度特别髙，相对亮度即视亮度可测得特别准，离。由于其亮度特别髙，相对亮度即视亮度可测得特别准，所以可用其准确测出遥远星系的距离。所以可用其准确测出遥远星系的距离。

如何发现宇宙在加速膨胀？如何发现宇宙在加速膨胀？（（ 55 ））

帕尔马特与施密特两预研究组，正是利用他们对帕尔马特与施密特两预研究组，正是利用他们对5050余颗余颗 IaIa 超新星的光度测量，重新估祘了这些遥超新星的光度测量，重新估祘了这些遥远星系的距离，再根据它们光谱线红移的数据，远星系的距离，再根据它们光谱线红移的数据，得出了宇宙在加速膨胀的结论。得出了宇宙在加速膨胀的结论。

19981998 年他们两亇组发表了观测结果，那些红移为年他们两亇组发表了观测结果，那些红移为0.50.5 （距离（距离 6868 亿光年）或更远的超新星看起来要亿光年）或更远的超新星看起来要比预期的暗了比预期的暗了 1010％％ -20-20％，这意味着它们处在比％，这意味着它们处在比预期距离更远的位置上，逃离速度比预期的要快，预期距离更远的位置上，逃离速度比预期的要快，也就是说：宇宙在加速膨胀！也就是说：宇宙在加速膨胀！

膨胀宇宙

大爆炸

减速膨胀

加速膨胀

最远的超新星

现在

时间轴

150

亿年

宇宙加速膨胀为什么令人惊奇？宇宙加速膨胀为什么令人惊奇？宇宙膨胀并不是一开始就是加速的，他们的研究表明，我们宇宙膨胀并不是一开始就是加速的，他们的研究表明，我们的宇宙大约在的宇宙大约在 60-7060-70 亿年前（星系形成）从减速膨胀变成了亿年前（星系形成）从减速膨胀变成了加速膨胀。现在还不知道加速膨胀是否会一直持续下去，假加速膨胀。现在还不知道加速膨胀是否会一直持续下去，假如特续，那么星系也将解体，宇宙将在严寒，冷冻中死寂。如特续，那么星系也将解体，宇宙将在严寒，冷冻中死寂。宇宙的命运将如何，要走向何方？现在还难以预料。宇宙的命运将如何，要走向何方？现在还难以预料。

宇宙膨胀怎么会从减速变为加速？加速的动力又来自何方？宇宙膨胀怎么会从减速变为加速？加速的动力又来自何方？ ““万有引力”使宇宙膨胀减速，现在宇宙加速膨胀，是否意万有引力”使宇宙膨胀减速，现在宇宙加速膨胀，是否意味着宇宙间还存在“万有斥力”呢？根据广义相对论，引力味着宇宙间还存在“万有斥力”呢？根据广义相对论，引力对应时空弯曲，那么斥力又对应时空什么？或者说对应时空对应时空弯曲，那么斥力又对应时空什么？或者说对应时空什么样的弯曲，与引力有何不同？什么样的弯曲，与引力有何不同？

…… …… …… ……

这一系列叫人心寒，茫然一片的问题令人生畏，令人惊奇！这一系列叫人心寒，茫然一片的问题令人生畏，令人惊奇！

宇宙加速膨胀宇宙加速膨胀 与暗物质、暗能量 与暗物质、暗能量

关于暗物质（关于暗物质（ Dark matterDark matter ）） 宇宙中除了发光的可视物质外，还存在一些不可视物质，这可以从它 宇宙中除了发光的可视物质外，还存在一些不可视物质，这可以从它 产生的引力效应（天体运行，引力透镜等）为我们所感知，但长期以来产生的引力效应（天体运行，引力透镜等）为我们所感知，但长期以来

不知道这究竞是什么，就叫它暗物质。但有一奌是知道的，即它产生引力，不知道这究竞是什么，就叫它暗物质。但有一奌是知道的，即它产生引力，使时空弯曲这是确定的。使时空弯曲这是确定的。

在相对论宇宙动力学方程与哈勃定律下，可得到一亇宇宙临界密度在相对论宇宙动力学方程与哈勃定律下，可得到一亇宇宙临界密度 ρρc c = 3H= 3H00

22/8πG/8πG 根据大爆炸模型的爆涨理论，要求 根据大爆炸模型的爆涨理论，要求 P=PP=P ，而宇宙中可视物质密度远小于临，而宇宙中可视物质密度远小于临界密度，所以就引入了暗物质。界密度，所以就引入了暗物质。

关于暗能量（关于暗能量（ Dark energyDark energy ）） 发现宇宙加速膨胀后，许多人认为宇宙中可能存在一种暗能量，它的发现宇宙加速膨胀后，许多人认为宇宙中可能存在一种暗能量，它的

时空弯曲效应是产生“万有斥力”，由暗能量引起宇宙加速膨胀。目前假定时空弯曲效应是产生“万有斥力”，由暗能量引起宇宙加速膨胀。目前假定暗能量密度不随膨胀变化，保特恒定。而普通物质与暗物质密度随膨胀而减暗能量密度不随膨胀变化，保特恒定。而普通物质与暗物质密度随膨胀而减小，当宇宙膨胀到一定程度时，引力弱于斥力，宇宙就从减速膨胀转变为加小，当宇宙膨胀到一定程度时，引力弱于斥力，宇宙就从减速膨胀转变为加速膨胀。速膨胀。

宇宙中各种物质的成分宇宙中各种物质的成分

亮星 亮星 0.50.5％％

重子 重子 44％％暗物质 中微子 暗物质 中微子 0.30.3％％

暗物质（未知） 暗物质（未知） 2929％％

起源于宇宙学常数∧起源于宇宙学常数∧ 暗能量 动力学暗能量（未知） 暗能量 动力学暗能量（未知） 6565％％

广义相对论在宇观尺度失效广义相对论在宇观尺度失效

宇宙物质构成如下：宇宙物质构成如下：

普通物质普通物质 4.6%4.6%

暗物质暗物质 23%23%

暗能量暗能量 72%72%

2003年 12月出版的《 Science》公布年度十大科学进展之首是：“明确宇宙能量分布，找到暗物质和暗能量存在的新证据”。

今天我们还有太多的不知道！今天我们还有太多的不知道！暗物质是什么？它为什么是透明的？不参加暗物质是什么？它为什么是透明的？不参加电磁相互作用？电磁相互作用？

暗能量是什么？与真空能量是什么关係？与暗能量是什么？与真空能量是什么关係？与爱因斯坦的宇宙学常数又是什么关係？爱因斯坦的宇宙学常数又是什么关係？

我们一问三不知！ “暗”不发光，看不见！我们一问三不知！ “暗”不发光，看不见！ 暗者，暗者，不知道也！不知道也！

物理学是否又一次出现了危机？物理学是否又一次出现了危机？现有理论不能觧释新的观测事实。现有理论不能觧释新的观测事实。

这次诺贝尔奖肯定了宇宙在加速膨胀这一观测事这次诺贝尔奖肯定了宇宙在加速膨胀这一观测事实，进一步激化了实验与理论的矛盾。实，进一步激化了实验与理论的矛盾。

如何揭开暗物质与暗能量这两朶压在物理学上空如何揭开暗物质与暗能量这两朶压在物理学上空的鸟云？的鸟云？

总之，宇宙加速膨胀这一新的观测事实所带来的总之，宇宙加速膨胀这一新的观测事实所带来的理论困难，具有基本性与对旧理论的挑战性，一理论困难，具有基本性与对旧理论的挑战性，一场物理学的新变革必将展开！场物理学的新变革必将展开！

““世界上最不可理解的世界上最不可理解的事情，就是宇宙是可以事情，就是宇宙是可以理解的。”理解的。” 爱因斯坦爱因斯坦

““The most incomprehensible thing about the unThe most incomprehensible thing about the universe is that it is Comprehensible.”iverse is that it is Comprehensible.”

…… ……EinsteinEinstein

谢谢大家！谢谢大家！