[无形的上帝之手推动宇宙加速膨胀]宇宙膨胀

　　2011年10月4日，瑞典皇家科学院宣布：来自美国和澳大利亚的三位物理学家获得诺贝尔物理学奖。他们分别是美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔·珀尔马特、美国/澳大利亚物理学家布莱恩·施密特以及美国科学家亚当·里斯。三位物理学家通过对超新星的研究发现我们的宇宙正在加速膨胀，这个发现对天文学的发展产生了重大的影响。宇宙加速膨胀现象改变了以前的宇宙学理论，为宇宙学的发展带来了新的线索。借此机会，我们来回顾一下人们对宇宙的认识过程。
　　早期人们通过对天体的观测，形成了有限宇宙论，他们认为宇宙的最外围是恒星天，恒星是静止的、永恒的存在。亚里士多德和托勒密认为在这个有限的宇宙中，地球处于一个特殊的位置，即宇宙的中心。而哥白尼则坚持太阳是宇宙的中心。无论谁是宇宙的中心，古人认为宇宙是有中心的一个有限的空间，而宇宙之外则是虚无。
　　1684年，牛顿建立了万有引力定律。这个定律告诉我们任何两个有质量的物体间都存在着一种相互吸引的力，这个力称为万有引力。在万有引力的作用下，宇宙中的恒星是均匀分布的，每颗恒星都会受到内部和外部恒星的引力，这些引力相互抵消从而避免了宇宙塌缩。这就是牛顿的无限宇宙论。
　　1856年，克劳修斯通过对热力学第二定律的研究提出“熵”的概念，熵描述的是系统的无序程度。将一滴墨水滴到一杯清水中，结果是经过一段时间后整杯水都变成了黑的。这就是说自发的物理过程总是向系统的最大无序度——熵的最大值的状态发展。在热力学过程中，系统最终会达到热力学平衡，此时系统的熵也是最大的。物理系统这种趋向一致平衡的现象，可以描述为熵增原理。1865年，克劳修斯将熵增原理应用于宇宙学，提出“宇宙的熵力图达到最大的值”。那样的宇宙将处于温度相同的热平衡状态，而我们今天的宇宙各处温度存在很大的差异，比如，主序星内部的温度可以达到几千万度，而宇宙空间温度接近绝对零度。这样大的温度差异告诉我们，宇宙不可能存在无限长的时间，即我们的宇宙有一个时间的起点。
　　1916年，爱因斯坦发表了《广义相对论基础》，对广义相对论的研究作了全面的总结，标志着广义相对论的建立。广义相对论描述了大质量物体间的相互作用，很自然地人们将广义相对论应用于宇宙学，得到了广义相对论下的宇宙学模型。爱因斯坦的宇宙学模型避免了宇宙的塌缩，又去除了无限宇宙的概念。
　　1929年美国著名天文学家埃德温·哈勃利用加利福尼亚威尔逊山天文台的天文望远镜发现，距离我们越远的星系比近的星系更红。光谱红移说明了星系相对地球的退行速度，利用多年的观察结果，哈勃发现星系的退行速度与星系到我们地球的距离成正比，即其中H为哈勃常数，这就是哈勃定理。哈勃定律告诉我们宇宙正在膨胀。
　　膨胀的宇宙告诉我们，如果沿着时间箭头往回走，我们会看到膨胀的反过程，即宇宙的收缩。在很远的过去，所有的星系应该距离很近。根据引力理论，距离很近的物体引力一定很大。所以，在宇宙遥远的过去，宇宙的物质应该聚集在一个很小的范围内，准确说是一个几何的点。我们的宇宙起源于—个点的宇宙学模型，称为大爆炸理论。大爆炸理论预言我们的宇宙有一个时间的起点，大约在140亿年前。
　　如果我们的宇宙源于一次大爆炸，那么，我们现在的宇宙中是否还保留着那次大爆炸的痕迹呢?答案是肯定的。在大爆炸的初期，宇宙处于热平衡状态，随着宇宙的膨胀，宇宙的温度也在不断降低，并最终成为宇宙的一种背景。
　　1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特-威尔逊利用贝尔实验室的一台微波接收器发现了宇宙的这种背景辐射，不过这种辐射频率已经降低到微波波段，称为微波背景辐射。微波背景辐射对应的黑体辐射温度大约为2.7K左右。宇宙微波背景辐射的发现成为宇宙大爆炸理论很好的证据，彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。
　　1998年美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔-珀尔马特、美国，澳大利亚物理学家布莱恩·施密特分别领导的两个小组通过对Ia型超新星进行观测发现，我们的宇宙是加速膨胀的。我们的宇宙除了我们熟悉的引力之外，还存在着我们不知道的某种斥力的作用，正是这种斥力的作用在加速我们的宇宙膨胀。
　　2011年诺贝尔奖的颁发再一次引起了我们普通人对于宇宙命运的关注和思考，暗物质和暗能量也成为物理学家研究的重点。我们期待着物理学理论的突破，这样我们就可以更加深入地认识自然、认识宇宙。
　　(作者单位河北省故城县郑口中学)