任时光匆匆流去，我只在乎宇宙的过去

科普中国-我是科学家 2019-09-18

　　我们感知到的整个宇宙，要追溯到138亿年前的宇宙大爆炸。在此之前，宇宙是一个无限小的奇点——宇宙大爆炸之后，我们才有了时间和空间。那么，在大爆炸之后，宇宙又经历了哪些大的变化呢？我们是怎么知道宇宙是正在加速膨胀的？国家天文台研究员赵公博和大家分享《什么样的能量，让宇宙加速膨胀了60亿年？》

　　以下为赵公博演讲实录：

　　我是赵公博。

　　15年前当我决定研究宇宙学的时候，我的父母语重心长地跟我说：“你研究科学我们支持，但如果以后找不着工作我们可不养你。”在我郁闷的时候，我的朋友跟我说：“你小子真牛，牛得好变态啊。”

　　后来我就思考，为什么大家会有这样的反应？

　　最后得出个结论：当人们面对未知的时候，反应往往是本能的抵触，甚至是恐惧。

　　想象一下：把眼睛蒙住坐在过山车上，从最高点来个自由落体——是不是会尖叫？研究宇宙也是这样，因为我们面对的未知实在是太多了。

　　什么是宇宙？我们的先人曾经给出了精确的定义，“四方上下谓之宇，往古来今谓之宙”（汉代刘安《淮南子·齐俗》）。简单来说，“宇”是空间，“宙”是时间，宇宙学是一门研究时空的学问。

　　光的传播需要时间。屋子里灯光一亮大家就能看见我了，不需要等待，因为距离太短了。但在宇宙巨大的时空尺度上，可能需要等很长的时间才能收到来自远古的星光。也就是说，当你看到宇宙的深处，你就看到了过去。

　　宇宙学中，我们常用的长度单位不是米，也不是公里，而是光年。换算过来，1光年大概是94600亿公里。

　　这是一位天空摄影师拍到的银河系照片，我们可以看到漂亮的银河。银河是个盘状结构，它的直径是10万光年以上。也就是说，光从银河的一端射到另外一端需要10万年。

　　仙女座星系，距地球250万光年

　　这是哈勃太空望远镜拍摄到的仙女座星系，它距离我们250万光年。也就是说，这幅美丽的图片是它250万年前的样子；而它今天的样子，恐怕我们还要再等250万年才能看到，也许那个时候它已经不存在了。

　　风车星系，距地球2100万光年

　　这是更远一点的风车星系，距我们2100万光年。

　　所以对于我们的研究，可以这么说：“任时光匆匆流去，我只在乎你——的过去”

　　我们只能看到过去，没有办法看到现在和未来。

　　基于对过去的研究，我们知道今天的宇宙里面含有这三大部分：普通物质、暗能量和暗物质。普通物质包括你、我、地球、太阳和黑洞，只占宇宙总能量的4%，而其余的96%我们完全不知道，只知道其中某些性质，比如73%的暗能量、20%的暗物质。

　　诺贝尔物理学奖每年颁发一次，已经100多年了。而这100多个诺贝尔物理学奖，基本上都颁发给了那些基于4%的研究。可以推断，剩下96%还有更多诺贝尔奖等着我们去拿，还有巨大的未知空间等着我们去探索。

　　宇宙已经138亿高龄，这幅图是我们重建出来的宇宙演化历史。

　　开端是宇宙大爆炸，宇宙急速膨胀，在短短的几分钟之内就好似从婴儿发育成了巨婴。

　　中间是宇宙的生长发育过程，就像植物生长，速度缓慢了下来。

　　在这个过程中，形成了第一代恒星，宇宙自此被点亮。有了恒星，就有了更大的结构：很多恒星聚集在一起形成了星系，大量的星系聚集在一起形成了星系团，整个宇宙开始丰富多彩起来。

　　上述过程结束后，就到了我们今天说的60亿年前的宇宙。此时，宇宙又开始加速膨胀，而这也是今天困扰科学家的最大的国际难题：为什么宇宙会加速膨胀？到底是什么激发了宇宙的第二次发育？

　　说起宇宙膨胀，我们必须提到一位牛人，牛顿。一个苹果偶然间砸中了牛顿智慧的大脑，他发现了万有引力定律——任何两体之间都有吸引的作用。但是牛顿并没有告诉我们为什么会这样。

　　后来，革命性的人物出现了，爱因斯坦。在面对同样现象的时候，他没有在牛顿力学的基础上进一步修正，而是彻底推翻了牛顿的理论。在爱因斯坦看来，两体之间互相吸引有更深层次的原因，即两体都改变了周围的时空性质。一个大球使得周围的时空发生扭曲，这个扭曲传递到小球上导致了一个相互的绕转运动。

　　爱因斯坦得到相对论方程之后非常兴奋，马上利用这个新理论去研究宇宙。结果非常意外，他发现宇宙有两种演化形式：一种是膨胀，一种是塌缩。于是爱因斯坦陷入了深深的困惑，因为在他（包括当时所有人）看来，宇宙应该是静态稳定的，岁月静好、现世安稳，怎么可能膨胀或者塌缩呢？

　　所以爱因斯坦在困扰之余，就开始想办法解决他的理论。他说，宇宙膨胀我是没法想象的，因为任何物质之间都有引力作用，在引力的作用下宇宙怎么可能膨胀呢？如果宇宙压缩，我还能接受。所以首先他就把宇宙膨胀这个结论给排除掉。

　　那么，怎么避免宇宙坍缩呢？很简单，他在方程里面加入一个宇宙学常数——万有斥力，与引力相抵消。

　　本来故事可以结束了，但是一位英国的物理学家哈勃彻底地粉碎了爱因斯坦的梦想。

　　1929年，哈勃发现了一个非常有意思的现象：所有的星体都在远离我们，并且越远的后退得越快。这就说明整体宇宙是在膨胀的，只是日常中我们感受不到，但在宇宙的时空尺度上非常明显的。

　　因此爱因斯坦非常懊悔，他在晚年的时候说：“我虽然这一辈子做了很多科学发现，也得了诺贝尔物理学奖，但是引入万有斥力是我一生中犯的最大的错误，没有之一。”

　　可是故事还没有结束。1998年，三位科学家基于对超新星的观测，发现宇宙不仅在膨胀，而且还在加速膨胀，从60亿年以前就开始了。这个发现在2011年获得了诺贝尔物理学奖。

　　右边这幅图是Science当年的杂志封面，可以看到爱因斯坦的表情非常矛盾。他为什么是这种表情？

　　当年爱因斯坦认为宇宙要塌缩，他引入个万有斥力本来想让宇宙变得稳定，可是没想到宇宙本来就膨胀。但是在膨胀宇宙的基础上，再加入万有斥力会让它膨胀更快。所以爱因斯坦是从完全错误的出发点得出了正确的结论，他当年引入的万有斥力刚好和1998年的天文发现惊人地吻合。所以爱因斯坦悲喜交加，心情矛盾。

　　那么，暗能量到底是什么？

　　可能是宇宙学常数（万有斥力），跟时间和空间都没关系，而是真空的能量。

　　还可能是一种未知的能量场，不是一成不变的，可能随着时间和空间发生变化。

　　也有可能是一种未知的引力效应。爱因斯坦的广义相对论是目前最成功的引力理论，但目前的适用范围仅是太阳系或者银河系，但是用到宇宙学尺度上对不对呢？还没有人知道。也许爱因斯坦方程需要在大尺度上进行修改或者修正，带来一种宇宙加速膨胀效应。

　　还有人说，物质存在形式不只有物质和能量，还可以是信息。我们今天进入了信息时代，信息能不能产生能量，推动宇宙加速前行呢？

　　这些理论，我们今天怎么去验证呢？当然是依靠观测，这也是我的研究方向——利用大样本的星系巡天，从里面找到一些暗能量的蛛丝马迹。

　　图片中，每一个点都代表一个星系，我们常用的研究手段是计算两点关联函数。

　　什么叫两点关联函数呢？我给各位举一个例子——

　　想象一个很大的房间，里面有男有女。

　　一个男人遇到了一个心仪的女人，刚认识情窦初开，不好意思亲密接触，就保持一定的距离。慢慢地，距离会不断缩小，最后终成眷属。当然也有意外事件发生，距离可能是无穷远，甚至是1亿光年。

　　我们可以测量任何一个男人和一个女人的距离。以情侣之间的距离为横坐标，以满足相应距离的情侣对数为纵坐标，我们可以绘制两点关联函数的曲线，就像我画的示意图这样，它能告诉我们房间里人群的呈团性。

　　其实星系跟我们人一样，也是相爱相杀的。左图是我们根据实验数据画出的星系的两点关联函数了，横坐标是任何两个星系之间的距离，纵坐标是星系“情侣”的对数。各位看到，在某个尺度上曲线存在凸起，而这个凸起对我们来说是最重要的，因为它可以作为一把标准尺去丈量宇宙，告诉我们宇宙的几何性质，进而我们就能够间接地推断暗能量的某些性质。