在西方的文化傳統(tǒng)中，我們很難追溯到宇宙膨脹概念的淵源。正如牛頓需要求助上帝以擺脫經(jīng)典宇宙的坍縮厄運，為了維持一個亙古不變的穩(wěn)定宇宙，愛因斯坦不得不在他的引力場方程中引入一個習(xí)慣被標(biāo)記為希臘字符Λ的常數(shù)項，這就是廣為人知的宇宙學(xué)常數(shù)。它替代了牛頓的上帝，其作用在物理上等效于一個斥力，用以抵抗宇宙中物質(zhì)的引力坍縮，并允許在廣義相對論的框架下存在靜態(tài)宇宙解。隨著哈勃通過近鄰“漩渦星云”的退行觀測所確立的宇宙膨脹圖景，宇宙學(xué)常數(shù)已顯得多余。愛因斯坦不無感嘆地將宇宙學(xué)常數(shù)的引入稱之為他一生最大的錯誤，并將其從引力場方程中毫不猶豫地剔除。

圖1 愛因斯坦自稱宇宙學(xué)常數(shù)的引入是他一生最大的錯誤

在科學(xué)上，幾乎沒有一個自然常數(shù)如宇宙學(xué)常數(shù)有如此反復(fù)無常的傳奇經(jīng)歷。當(dāng)最新的宇宙學(xué)觀測和主流理論的矛盾不可協(xié)調(diào)時，理論家往往不自覺地從魔瓶中釋放出宇宙學(xué)常數(shù)這個精靈，它總是可以施展神奇的魔法化解危機(jī)。然而，一旦更多的因素被引入，對主流理論的挑戰(zhàn)壓力得以緩解，宇宙學(xué)常數(shù)卻擺脫不了被冷落禁錮的宿命。

宇宙學(xué)常數(shù)令人不悅之處在于它極端反常的行為。對普通物質(zhì)而言，其質(zhì)量和壓力都是正的。然而，由宇宙學(xué)常數(shù)描述的物質(zhì)形態(tài)，卻是質(zhì)量和壓力符號相反，一個正的質(zhì)量產(chǎn)生一個負(fù)的壓力，它違背我們慣有的對物質(zhì)世界的認(rèn)知。

一半是天使，一半是魔鬼，這恰恰是宇宙學(xué)常數(shù)的神奇之處。

這看似一個天方夜譚式的傳說，精靈一旦被釋放，你再也不可能把它徹底收進(jìn)魔瓶。

理論上對宇宙學(xué)常數(shù)的呼喚起始于上世紀(jì)60年代對宇宙遙遠(yuǎn)深處的類星體研究。然后，隨著對類星體的宇宙學(xué)演化的深入，這種呼聲悄然退去。嗣后，漸強(qiáng)的聲音又出現(xiàn)在80年代初期。隨著宇宙暴漲模型的提出，理論物理學(xué)家期待它所預(yù)言的平坦宇宙可以在觀測上找到足夠強(qiáng)的證據(jù)。也就是說，平坦宇宙要求存在和臨界密度幾乎完全相當(dāng)?shù)挠钪嫖镔|(zhì)密度，我們需要找到質(zhì)量預(yù)算表上的所有開銷。

技術(shù)進(jìn)步帶給近代天文學(xué)的收益是顯著的，實測天文學(xué)家很快就量秤出星系和星系團(tuán)尺度上各種物質(zhì)成分的密度。包括發(fā)光物質(zhì)和不可視的暗物質(zhì)在內(nèi)，觀測給出的宇宙的物質(zhì)密度最多只能達(dá)到臨界密度的30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以支撐一個時空曲率為零的平坦幾何。一個自然的想法是，如果允許宇宙學(xué)常數(shù)存在，如果恰當(dāng)?shù)剡x擇它的數(shù)值，宇宙可以獲得平坦宇宙所要求的臨界質(zhì)量密度。

實測天文學(xué)家遵循的原則永遠(yuǎn)是尊重自然，然而自然留給理論物理學(xué)家的卻是更為廣闊的想象空間。對后者來說，對與錯不是唯一的標(biāo)準(zhǔn)，美與和諧永遠(yuǎn)是追求的終極目標(biāo)，這也是對自然的信念。

一直到上世紀(jì)90年代，暴漲宇宙模型僅僅是流傳于理論界的傳奇，作為一種和基本相互作用統(tǒng)一理論相協(xié)調(diào)的宇宙演化圖像，它在解釋視界問題和平性問題上獲得了巨大成功。更甚于此，它可以解釋磁單極子的缺失，可以解釋宇宙尺度上的馬赫原理，可以解釋宇宙所展現(xiàn)的多層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的起源，它甚至有助于找尋我們生存的世界為什么存在的理由。因此，即使在沒有得到觀測充分支持的情形下，暴漲模型仍然得到理論物理學(xué)家的青睞和鐘愛，并在眾多的質(zhì)疑聲中得到長足的發(fā)展。

二十世紀(jì)的最后十年，是宇宙學(xué)發(fā)生驚人巨變的十年，若干獨立的宇宙學(xué)實驗為暴漲和平坦宇宙模型提供了令人信服的證據(jù)。 1992年美國國家宇航局所發(fā)射的“宇宙背景探索者”衛(wèi)星對宇宙微波背景輻射的觀測首次揭示了宇宙的整體幾何特性，即空間是平坦的。在另一方面，隨著光纖和CCD技術(shù)在天文觀測中的推廣普及，傳統(tǒng)小天區(qū)單一目標(biāo)的觀測模式被大視場多目標(biāo)的系統(tǒng)觀測所替代，這是一場革命性的巨變，其觸發(fā)點來自美國的斯隆數(shù)字巡天計劃，它對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)觀測研究直接導(dǎo)致人類對宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演化認(rèn)識的突破。特別地，它所開展的三維巡天測量再次讓我們無法拒絕接受這樣的事實：宇宙的物質(zhì)密度達(dá)不到臨界密度的30%，這意味著宇宙的主導(dǎo)成分并不來自可視和不可視物質(zhì)，而是以某種未知的形式存在。

更為驚奇的是，通過對遙遠(yuǎn)超新星的觀測，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且是在加速膨脹，傳統(tǒng)大爆炸宇宙學(xué)中在引力作用下的減速膨脹圖景被徹底顛覆，它促使理論物理學(xué)家重新檢視我們對時空、物質(zhì)和能量的認(rèn)識。

究竟是什么樣的神秘力量在驅(qū)動整個宇宙?首先想到的自然是令人捉摸不定的宇宙學(xué)常數(shù)—— 一個被囚禁魔瓶中的精靈，它伴隨著宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)而再次逃逸!

人類探索宇宙的歷程，緊密依賴于對遙遠(yuǎn)天體的距離測量，特別是歷次重大的天文發(fā)現(xiàn)，都是來自于距離測量上的突破性進(jìn)展。天文學(xué)家將各種量天尺組合構(gòu)建了一個距離天梯，通過它人類探索宇宙的步伐也不斷地邁向太空的深處。

天文學(xué)的距離測量方法可以簡單劃分成兩大類，標(biāo)準(zhǔn)尺和標(biāo)準(zhǔn)燭光。標(biāo)準(zhǔn)尺，顧名思義是一把已知長度Ls的標(biāo)準(zhǔn)尺子。幾何上，如果在不同的距離上去觀測，它表現(xiàn)出不同的視張角，即視張角θ 和距離d成反比

利用這樣的簡單幾何關(guān)系，就可以測量標(biāo)準(zhǔn)尺所處位置的距離。對于標(biāo)準(zhǔn)燭光，則是定義為這樣一類已知內(nèi)稟熱光度的天體，其距離可以通過測量該天體在天空的視亮度來獲得。實際上，它利用了視亮度f 和距離d的平方反比定律，即

這里L(fēng)為天體的內(nèi)稟光度。利用這兩類方法測量的距離分別被稱為角距離和光度距離。

最早跨出太陽系的距離測量是所謂三角視差方法，天文學(xué)家通過測量不同季節(jié)恒星在天球的視角差，根據(jù)三角學(xué)原理計算出恒星的距離。原理上它可以歸類到標(biāo)準(zhǔn)尺方法，只是標(biāo)準(zhǔn)尺是放置在本地，其長度為地球到太陽的距離。不過，三角視差法只適合于400光年以內(nèi)的恒星的距離測量。超過這個尺度，由于視差太小，地面上的傳統(tǒng)測量已不再奏效。

對更遙遠(yuǎn)的天體，天文學(xué)家根據(jù)恒星演化的赫羅圖發(fā)展了一種所謂的分光視差法。赫羅圖由丹麥天文學(xué)家赫茨普龍和美國天文學(xué)家羅素分別于1911年和1913年各自獨立提出，它給出了恒星表面溫度和光度之間的相關(guān)性，同時也是恒星演化軌跡的重要示蹤器。我們知道，恒星的表面溫度通常用它表觀的顏色標(biāo)示，在天文上也被稱為光譜型。因此，借助于赫羅圖，我們可以通過測量恒星的光譜確定它的絕對光度，繼而由觀測所得的視光度計算出它的距離。

另一種和恒星內(nèi)稟性質(zhì)相關(guān)的方法則是著名的造父變星法。造父變星是勒維特最早發(fā)現(xiàn)的一類在徑向方向交替進(jìn)行膨脹和收縮的恒星，其光度隨時間發(fā)生周期性起伏。它具備一個重要的性質(zhì)，即它的絕對光度和起伏的脈動周期之間存在確定的關(guān)系，稱為周光關(guān)系。如果我們通過長期的時域監(jiān)測獲得它的光度起伏周期，我們就可以推斷出它的絕對光度。和分光視差法的思想類似，通過測量表面亮度我們就可以定出它的距離。源于造父變星法的測量距離可以延伸到百萬秒差距之巨，它也被譽(yù)為“量天尺”。一個熟知的歷史事實是，正是通過造父變星法，哈勃將人類的視野拓展到銀河系外，并帶給我們宇宙膨脹的壯麗圖景。

對于更遙遠(yuǎn)的宇宙學(xué)尺度的距離測量，天文學(xué)家則需要尋找更亮的標(biāo)準(zhǔn)燭光或標(biāo)準(zhǔn)尺作為測量參考對象。

超新星是恒星演化走向終結(jié)的一次最為壯觀的爆發(fā)現(xiàn)象，其瞬間爆發(fā)產(chǎn)生的亮度可以和整個星系的光度相比。而其中被歸類到Ia型的一類超新星，由于其近乎相同的峰值爆發(fā)亮度，使它成為觀測宇宙學(xué)中最富吸引力和應(yīng)用價值的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

在爆發(fā)機(jī)制上，Ia型超新星被認(rèn)為是發(fā)生在雙星系統(tǒng)中的晚期產(chǎn)物，其中一顆恒星在耗盡所有熱核燃料后，會逐漸冷卻成為以碳氧為其主要成分的白矮星。在其晚期演化中，白矮星會不斷從伴星包層中吸積物質(zhì)。當(dāng)吸積物質(zhì)累積使整個白矮星質(zhì)量達(dá)到錢德拉塞卡質(zhì)量極限時，電子的簡并壓力已不足以抵抗引力坍縮，并觸發(fā)劇烈的熱核反應(yīng)。對雙星系統(tǒng)而言，這一事件是災(zāi)難性的，核燃燒產(chǎn)生的動能釋放直接導(dǎo)致雙星系統(tǒng)的解體，而隨后發(fā)生的劇烈爆炸更使其亮度超過我們太陽的數(shù)十億倍。由于Ia型超新星的觸發(fā)臨界點是錢德拉塞卡極限，

這里為普朗克質(zhì)量， 是質(zhì)子的質(zhì)量， 為太陽質(zhì)量。顯然，這是一個普適的質(zhì)量，只依賴于基本物理常數(shù)。考慮到可以獲得的核爆炸物質(zhì)具有恒定的數(shù)量，物理上我們?nèi)菀桌斫鉃槭裁碔a型超新星具有接近的爆發(fā)強(qiáng)度。

測量宇宙早期的膨脹歷史，Ia型超新星是最為理想的采集樣本。隨著大規(guī)模信息技術(shù)的發(fā)展，特別是具有大天區(qū)搜尋能力的CCD相機(jī)以及高性能超級計算機(jī)的應(yīng)用，Ia型超新星的搜尋和分析在上世紀(jì)90年代后期取得具有歷史意義的突破。兩個獨立的遙遠(yuǎn)Ia超新星搜尋計劃的研究團(tuán)隊相繼發(fā)表了他們的測量結(jié)果。意識到他們的結(jié)果給學(xué)術(shù)界所帶來的顛覆性的震撼，兩個小組在結(jié)果公布前反復(fù)對所有的分析細(xì)節(jié)進(jìn)行了核查，并在確認(rèn)無誤后慎重地向?qū)W術(shù)界展示了初步分析結(jié)果。這是一幅被稱為星等-紅移關(guān)系的圖片，它記錄了位于不同距離，也就是宇宙早期不同年代所發(fā)生的超新星事件的視亮度。

圖2 原始Ia型超新星巡天的哈勃圖，來自兩個獨立的超新星巡天計劃。上圖通過超新星的視星等-紅移關(guān)系，給出了宇宙加速膨脹的直接證據(jù)，下圖給出了開放宇宙的視星等殘余誤差

兩個小組一致并被認(rèn)為經(jīng)得起考驗的結(jié)果是，對于位于給定紅移的Ia型超新星，它的表觀視亮度比傳統(tǒng)宇宙學(xué)模型預(yù)言的要黯淡。這意味著它們比預(yù)想的離開地球的距離更為遙遠(yuǎn)，它背離傳統(tǒng)減速膨脹的宇宙模型中所給出的預(yù)言。因此，除非我們假定宇宙在加速膨脹，除非我們重新放出宇宙學(xué)常數(shù)這個精靈，一切才會重歸自然的軌道。

對天文和物理而言，這個發(fā)現(xiàn)都是一件可以稱得上激動人心的大事。它不僅徹底改變了我們對宇宙膨脹歷史的理解;究其加速膨脹的產(chǎn)生原因，更使我們必須面對類似宇宙學(xué)常數(shù)所描述的這樣一種反常物質(zhì)形態(tài)，它無疑對基礎(chǔ)物理理論提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

圖3 宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)成為1998年最激動人心的科學(xué)發(fā)現(xiàn)

（未完待續(xù)）