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布莱恩·施密特 发表评论(0) 编辑词条

布莱恩-施密特 布莱恩-施密特

  布莱恩-施密特生于1967年,他是澳大利亚国立大学斯特罗姆勒山天文台天体物理学家,也是该大学天文学与天文物理学研究学院澳大利亚研究理事会教授。其重要研究是使用超新星作为“宇宙探测器”。

布莱恩·P·施密特(Brian P Schmidt,1967年2月-)是澳大利亚国立大学(ANU)斯特朗洛山天文台(Mount Stromlo Observatory)的一位天文学家,著名于观测超新星。他是澳大利亚研究理事联合会会员。

2011年,施密特与亚当·里斯和索尔·珀尔马特三人共同获得诺贝尔物理学奖,以表扬他们“透过观测遥远超新星而发现宇宙的加速膨胀”。

From left, Adam Riess, Saul Perlmutter and Brian Schmidt shared the Nobel Prize in physics awarded Tuesday. 

2011年,珀尔马特获诺贝尔物理学奖一半奖项,另一半奖项由布莱恩·P·施密特与亚当·里斯共同获得,以表扬他们“透过观测遥远超新星而发现宇宙的加速膨胀”。
教育珀尔马特1981年毕业于哈佛并获优等毕业生奖,1986年在伯克利加州大学取得博士学位。珀尔马特的博士论文选题是在理查德·A·穆勒的指导下搜寻候选的太阳伴星。
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基本信息编辑本段回目录

布莱恩·P·施密特 

Brian P Schmidt 

2006年摄于接获邵逸夫奖时 

出生 1967年2月 美国蒙大拿 

国籍  美国 澳大利亚 

研究领域 天体物理学 

任职于 澳大利亚国立大学 

母校 亚利桑那大学 哈佛大学 

博士导师 Robert Kirshner 

著名成就 观测超新星 

获奖 诺贝尔物理学奖 

2011年诺贝尔物理学奖揭晓编辑本段回目录

The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics for 2011 with one half to Saul Perlmutter, and the other half jointly to Brian P. Schmidt and Adam G. Riess, for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae.
瑞典皇家科学院决定将2011年诺贝尔物理学奖,一半授予萨尔·波尔马特,另一半授予布莱恩·施密特和亚当·里斯,以表彰他们通过观测遥远超新星发现宇宙的膨胀速度正在加快。
"Some say the world will end in fire, some say in ice..."
有人说世界将终于火海,有人说世界将终于冰川……
What will be the final destiny of the Universe? Probably it will end in ice, if we are to believe this year's Nobel Laureates in Physics. They have studied several dozen exploding stars, called supernovae, and discovered that the Universe is expanding at an ever-accelerating rate. The discovery came as a complete surprise even to the Laureates themselves.
宇宙最终的命运究竟会何去何从?如果我们相信今年诺贝尔物理学奖得住的研究结果,那么宇宙恐怕会终于冰川。他们研究了几十颗爆炸星(也被称为超新星)发现,宇宙的膨胀速度正在不断加快。这个发现让获奖者自己都大为惊讶。
In 1998, cosmology was shaken at its foundations as two research teams presented their findings. Headed by Saul Perlmutter, one of the teams had set to work in 1988. Brian Schmidt headed another team, launched at the end of 1994, where Adam Riess was to play a crucial role.
1998年,两只研究小队所展示的成果让宇宙学的根基发生了动摇。其中一支队伍由萨尔·波尔马特领衔,从1988年开始研究工作;另一支由布莱恩·施密特领衔,从1994年年底开始工作,亚当·里斯在其中扮演了重要角色。
The research teams raced to map the Universe by locating the most distant supernovae. More sophisticated telescopes on the ground and in space, as well as more powerful computers and new digital imaging sensors (CCD, Nobel Prize in Physics in 2009), opened the possibility in the 1990s to add more pieces to the cosmological puzzle.
研究队伍用定位距离地球最远的超新星的办法来绘制宇宙地图。到了20世纪90年代,更精密的陆地和太空望眼镜装置、更强大的计算机系统以及全新的数字成像传感器(CCD, 2009年获得了诺贝尔物理学奖),为人类拼制宇宙这副拼图提供了可能性。
The teams used a particular kind of supernova, called type Ia supernova. It is an explosion of an old compact star that is as heavy as the Sun but as small as the Earth. A single such supernova can emit as much light as a whole galaxy. All in all, the two research teams found over 50 distant supernovae whose light was weaker than expected - this was a sign that the expansion of the Universe was accelerating. The potential pitfalls had been numerous, and the scientists found reassurance in the fact that both groups had reached the same astonishing conclusion.
研究队伍用一种Ia型超新星做研究。Ia型超新星是由像太阳一样重却像地球一样小的致密星爆炸而成,这样一颗超新星所发射出的光和整个银河系一样多。总而言之,两支队伍发现了超过50颗遥远超新星,它们所发射出的光不如预计的那么明亮,这就意味着宇宙的膨胀速度正在加快。研究过程中存在很多潜在的缺陷,但是两支队伍得出了同样惊人的结论,这让科学家们对自己的研究结果比较放心。
Brian Schmidt

For almost a century, the Universe has been known to be expanding as a consequence of the Big Bang about 14 billion years ago. However, the discovery that this expansion is accelerating is astounding. If the expansion will continue to speed up the Universe will end in ice.
近一个世纪以来,人类知道宇宙因为140亿年左右前的那次大爆炸而在膨胀。然后,宇宙膨胀速度正在加快的发现让世人震惊。如果膨胀速度持续加快,那么宇宙将会终结于冰川。
The acceleration is thought to be driven by dark energy, but what that dark energy is remains an enigma - perhaps the greatest in physics today. What is known is that dark energy constitutes about three quarters of the Universe. Therefore the findings of the 2011 Nobel Laureates in Physics have helped to unveil a Universe that to a large extent is unknown to science. And everything is possible again.
研究者们认为是暗能量推动宇宙膨胀速度加快,但是暗能量究竟是什么仍然是个未知数——也许这是当今物理学界的最大难题。我们唯一知道的是宇宙的四分之三由暗能量所组成。所以说,2011年诺贝尔物理学奖的研究结果最大程度上揭示了一个科学界所不知道的宇宙。而今,一切又皆有可能。

[2011诺贝尔物理奖]超新星与暗能量的发现编辑本段回目录

作者:陈学雷(国家天文台研究员,从事宇宙学研究)

今年的诺贝尔物理奖授予了三位在发现宇宙加速膨胀的研究中做出杰出贡献的学者:Perlmutter, Schmidt和Riess. 应该说,由于这项工作无可争辩的巨大重要性,几年来他们一直是获奖的热门人选。但是,导致宇宙加速膨胀的暗能量是什么仍是一个未解决的问题,而相关的许多理论和观测还处在研究的前沿,存在许多疑问和争论,诺贝尔奖评委会素有稳重、保守的传统,所以我原以为他们还要再过若干年才会获奖。因此,作为一名宇宙学研究者,我为他们今年获得这项殊荣感到非常高兴。

Perlmutter, Schmidt 和 Riess 是因为对超新星的研究而获奖的。超新星的概念是1934年由茨维基和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩,然后发生爆炸,其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度,巴德和茨维基也观测到了一些超新星。后来发现,其实有两种不同的超新星, 一种是茨维基最早提出的核塌缩超新星,另一种其爆炸机理不同,现在一般认为是白矮星(质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星)从其伴星中吸积物质,到一定程度后发生核爆炸。有趣的是,茨维基和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型,被称为Ia型超新星。

[图1:超新星遗迹Cas A.]

由于超新星很亮,可以在宇宙中很远的地方看到,因此可用来研究宇宙学。特别是,白矮星有一个质量上限,称为钱德拉塞卡质量,大约是1.4个太阳质量,白矮星发生超新星爆炸时大多都比较接近这个质量。既然这时白矮星的质量都差不多,就有理由认为,其爆炸时的亮度可能也差不多。这样,Ia型超新星就有可能作为“标准烛光”来使用:假定所有超新星的“绝对亮度”也就是本身的亮度相等,那么根据观测到的一颗Ia超新星的视亮度,就可以推测它到我们的距离。另一方面,我们还可以观测到这些超新星的光谱,从中测出超新星的“红移”。比如,一条原来在615纳米的谱线,经过红移后变为1230纳米,那么我们就说这个超新星的红移z=1,因为观测到的谱线长度是原来的(1+z)倍。如果我们把测到的超新星的红移和距离一一对应起来,我们就可以画出所谓哈勃图,不同的宇宙学模型的哈勃图是不一样的,因此用这种办法,可以测出宇宙到底是什么样的。

[图2:这是Perlmutter 等人1998年发表的超新星哈勃图,横坐标是红移,上面一图的纵坐标是星等(越暗星等越大),几条曲线是不同宇宙学理论的预言。下面图则是与理论的偏离。]

尽管上面叙述的这种办法原则上讲很简单,但实际做起来并不容易。首先是要发现超新星。尽管我们上面说超新星非常亮,但放在浩瀚的宇宙之中,也只是微弱的一点。下面的图演示了一个超新星的发现图像:你可以看到,它非常微弱而不起眼,经过两次放大之后也并不容易在图像上看出来。发现它的办法是,把两个同一天区但在不同时刻拍摄的照片叠放在一起,用后一张减去前一张,从二者之差发现可能变亮的候选目标。这样找到的候选者还不都是超新星,还有一些别的东西,比如星系中心的活动星系核有时会变亮,太阳系中的小行星有时会正好飞到这里,等等。在进一步观测排除这些其它东西后,才能找到超新星。这进一步的观测包括用多次不同时刻的观测得到超新星亮度随时间变化的曲线(光变曲线),以及拍摄超新星的光谱以测定红移。光谱观测比照相观测更难,往往需要更大的望远镜,而且需要在超新星最终变暗以前进行。

[图3:SCP组演示如何通过比较法找超新星的图]

1980年代中期,一些丹麦的天文学家开始试图寻找这些宇宙中的遥远超新星,经过长达2年的搜索,他们才找到了第1颗超新星,后来他们又发现了一颗,但终因发现的过少而放弃了。由于很难发现超新星,再加上对超新星是否真是“标准烛光”持怀疑态度,许多天文学家当时对这类研究抱悲观态度。

也是在这一时期,劳伦斯伯克利实验室(LBL)的一组物理学家开始对搜寻超新星产生了兴趣。这一小组的传奇的创始人Luis Alvarez兴趣广泛。他本人因为高能物理实验(气泡室)方面的工作获得诺贝尔奖,但他更为公众所知是因为提出小行星撞击地球导致恐龙灭绝的理论。这一小组中的Carl Pennypacker 和Rich Muller开始进行超新星研究,发展了一套在图像中自动搜索超新星候选者的软件。他们利用澳大利亚的3.9米望远镜进行了一段时间的搜寻,但是一开始他们失败了,并未找到任何超新星。后来,Pennypacker 转而从事科普,而Rich Muller 本人受Alvarez关于恐龙灭绝研究的影响,转向研究气候变化和全球变暖问题——其实他关于超新星搜寻的工作也是与寻找“复仇之星”(Nemesis)相结合的。古生物学家发现历史上的生物大规模灭绝存在周期性,Muller 认为可能是由于太阳有一颗红矮星或褐矮星伴星即复仇之星,当它沿周期轨道接近太阳时,其对小行星轨道的扰动就容易导致小行星撞击地球。 Muller 的弟子Perlmutter的研究一开始就是寻找这颗复仇之星。后来,Perlmutter接掌了超新星项目。有趣的是,尽管Rich Muller本人在宇宙学领域工作的时间不长就离开了,但他有两个弟子后来因为宇宙学研究得到了诺贝尔奖:研究CMB的George Smoot 2006年获奖,Perlmutter今年获奖。

Perlmutter 接掌这项工作正是在项目最困难的时期:他们未取得任何成果,连一颗超新星都没能发现,而与澳大利亚人的合作也到期结束了。这一项目是否还能进行下去?伯克利以及美国的资助机构在认真的评估后决定继续予以资助。Perlmutter工作专注,被认为是可以挽救这一项目的人选。他们还是得到了经费,造了一台CCD相机安放在西班牙加纳利群岛的一台望远镜上,作为交换他们可以使用这一望远镜进行超新星搜索。Perlmutter也很努力,为了对发现的候选超新星进行后续观测,Perlmutter 会给全世界各处天文台的望远镜打电话,恳求正在使用望远镜的人帮助他进行观测。

早期超新星研究的一大困难在于如何保证找到超新星并拍摄到其光谱。这里除了技术上的困难外,还有获得望远镜观测时间的困难。现代的天文望远镜都是由许多天文学家共用的。一位或一组天文学家要用望远镜,需要写一份建议书,说明自己的科学目标和观测方法,经过同行评议后,由望远镜时间分配委员会根据评议结果决定分配多少时间。这样,大型望远镜的观测时间表一般早就提前一年或半年定下来了。而在发现超新星之前,人们很难预先申请到这些观测时间,发现超新星后往往只好临时借用别人的观测时间进行后续观测,这很难保证获得大量数据。Perlmutter 发展了一套“批处理”的方法:他们每隔一个月,用观测条件最好的无月夜拍摄大片的星空,并立即与以往的观测进行比较,找出可能的超新星候选者,这样第2天他们就可以获得一批超新星候选者样本,然后再用Keck 10米望远镜等大望远镜进行后续光谱观测。恰好超新星的光变周期是几个月,因此这一方法非常有效。由于一次可以得到多个超新星候选者,也就可以申请到大望远镜的观测时间。用这种办法,Perlmutter领导的研究小组(称为超新星宇宙学计划Supernova Cosmology Project, SCP)开始发现大量的超新星。

伯克利的SCP小组由物理学家组成,他们一开始对于超新星天文学中的许多困难并不完全了解,“无知者无畏”可能是他们在大多数天文学家对超新星观测感到悲观时勇于进行这项研究的部分原因。然而,随着他们逐渐接近成功,天文学家们也开始看到希望并准备参加竞争。哈佛大学的Bob Kirshner (Adam Riess的导师)等人也想进行超新星观测,但问题是,SCP小组曾花费几年时间才研制出自动化超新星搜寻软件,别人能否在短期内研制出这样的软件呢?如果没有,要进行竞争是困难的。Brian Schmidt 只用了一个月就开发出了这样一套软件,他没有象SCP小组那样完全新写一套软件,而是通过组合一些现成的天文软件而实现了这一目标。这样,由Kirshner, Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人组成的High-z 小组以出人意料的高速加入了竞争的行列。

现在找超新星的问题解决了,但Ia型超新星是否真是标准烛光呢?遗憾的是,并非完全如此。渐渐地人们发现Ia型彼此并非完全相同,有的超新星光度的变化速度更快一些,有些则更慢一些。不过,Mark Philips 通过研究发现,那些绝对亮度更大的超新星,其变化速度也往往更慢。因此利用光变曲线可以修正超新星绝对亮度的变化。

此外,对于实际观测的超新星,还需要考虑好几个其它问题。星际空间存在着尘埃,这些尘埃会吸收光子,使超新星变暗。好在这一效应还是可以修正补偿的。尘埃吸收除了使目标变暗外,还会更多吸收蓝光而导致目标变红,因此根据其变红的程度进行修正。问题是,每颗超新星其本身的颜色其实也并不完全相同。最后,即使本身光谱完全相同的超新星,当它位于不同红移时,用给定波长的滤光片组进行观测时,得到的颜色也是不一样的,还需要对这一效应进行改正。好在这几个效应虽然复杂,但有规律可循。哈佛大学的研究生Adam Riess 发展了一套数学方法,他发现,利用多个滤光片拍摄的光变曲线数据,经过改正后,Ia型超新星还是可以作为近似的标准烛光的,因此用Ia型超新星进行宇宙学研究是有希望的。实际上,即使到了今天,人们也还是不完全理解为什么Ia型超新星经过修正后可以作为这么好的标准烛光。人们很容易想到各种因素,使得Ia型超新星偏离标准烛光,这也是一开始很多天文学家对超新星宇宙学感到悲观的原因。然而数据显示Ia型超新星经过修正后确实还是不错的标准烛光,这是大自然给我们的一个惊喜。当然,研究者们仍在探究这其中的原因。

SCP和High-z这两个小组的竞争非常激烈。到了1997年下半年,他们开始发现,高红移的超新星比他们原来预期的要暗。根据哈勃图,这表明宇宙的膨胀在加速而不是减速。这是否是由于观测或数据处理上的错误造成的呢?或者,尘埃吸收等因素考虑得不够周全?经过反复检查,1998年1月,两个小组几乎同时公布了自己的观测结果,SCP组有42颗超新星数据,High-z 组只有16颗超新星数据,但每颗的误差要小一些。总之,他们一致的结论是宇宙的膨胀在加速。这一结果轰动了世界。

按照广义相对论理论,如果宇宙由一般的“物质”(包括所谓“暗物质”)组成,其膨胀会逐渐减速,这是万有引力的作用。那么如何解释观测到的宇宙膨胀加速呢?目前主流的解释是引入“暗能量”的概念。暗能量(dark energy)一词是美国宇宙学家Mike Turner 引入的。它实际上也是物质的一种形式,但具有很奇特的性质。比如,它的有效“压强”小于0,这些压强项使时空的弯曲与一般物质造成的时空弯曲相反,因此可以理解成是与万有引力相对的“斥力”,可以导致宇宙加速膨胀。根据现在对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的拟合表明,宇宙中大约百分之七十五左右是暗能量,此外还有百分之二十一左右是不发光的暗物质,而我们熟悉的普通物质仅占百分之四多一点。

[图4:宇宙的组分]

也有人认为不需要引入新的物质形式“暗能量”,而是万有引力的规律与我们一般所假定的广义相对论理论有所不同造成。不过,这种修改引力理论往往比暗能量理论更为复杂。广义地说,这也可以算暗能量模型。

还有少数学者怀疑超新星的观测或数据分析有错误,宇宙并未加速膨胀。但是,13年来人们又观测了许多超新星,目前总数有几百颗,对其分析也更加深入,虽然还存在很多疑点(比如Ia型超新星爆炸的机理到底是什么?),但数据本身经过许多不同的天文学家用不同方法的分析,迄今并未发现大问题。其次,有人曾提出Ia型超新星的光在传播中会由于与一种被称为“轴子”的假想粒子的相互作用而变暗,导致其被误认为是宇宙加速膨胀。但是,这种假设与观测的拟合并不好。特别是,有的高红移超新星测量结果表明,宇宙的膨胀并非一直加速,而是先减速再加速,这用上述假说不容易解释,而却正是暗能量理论的预言。

暗能量的存在也有一些其它方面的证据。例如,早在SCP和High-z 小组公布他们的超新星观测之前,有一些科学家(例如Turner & Krauss, Ostriker & Steinhardt等)根据宇宙年龄、物质密度和功率谱等因素考虑,就认为宇宙可能含有暗能量。此后,宇宙微波背景辐射、重子声波振荡等其它观测也支持宇宙中存在暗能量的理论。目前,也有少部分观测,例如强引力透镜的数量,与根据暗能量理论做出的预言符合得不好,但这些观测目前其可靠性本身是比较低的,因此暗能量是为大多数人所接收的模型。

宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现,因此其发现者获得诺贝尔奖也是意料之中的。但是,暗能量的本质仍是一个还未解决的问题。对这一问题的研究,也很可能是未来基础物理学发展的突破口。国外有许多计划中的实验项目,而我国目前除了提出多种暗能量的理论模型外,一些天文学家也结合我国实际,提出了一些未来的暗能量实验观测计划。例如,在南极冰穹A(那里的观测条件好)建造大型光学望远镜,在我国天宫空间站上装设光学望远镜,在南美建造大型的光谱巡天望远镜等,以及参与一些国外重大实验项目的合作。笔者本人目前也正在推动开展“天籁计划”研究,这是一项在国内地面进行的实验,研制专用射电望远镜阵列进行巡天观测,利用宇宙大尺度结构中的重子声波振荡特征精密研究暗能量的性质。希望未来我国在这一方面的研究中也能做出重大的发现。

从今年获诺贝尔物理奖的研究工作中,我们能受到什么启发呢?我觉得,Schmidt 和 Riess 等人能够凭借自己的研究积累,抓住战机,在激烈的竞争中一举冲入研究的最前沿,其能力和敏锐令人钦佩。但更值得思索和借鉴的是Perlmutter等人的顽强坚持。作为研究者,要有信心和勇气在困难时坚持下去,正是这种信心和勇气,使Perlmutter等人在人们大多对超新星宇宙学感到悲观时能够坚持下去。而美国的资助机构能够宽容失败,看出这一项目的科学价值和团队人员的能力,保持对这一项目的资助,也是非常有眼光的。有重大创新的科研常常有很大的风险,很难保证完全实现计划的成果。这时应该怎么办?我国现在口头上也常常说支持探索、宽容失败,但实际上有风险的研究计划很难得到支持,更不用提对失败的理解和宽容了。这恐怕是我们所应该深思的。

本文授权转载自陈老师博文

暗能量:宇宙中的幽灵编辑本段回目录

宇宙是如何诞生并且演化到今天的?其未来又将走向何方?这个科学命题——或者说哲学命题,数千年来一直困扰着人类。

  大约14年前,人们一度以为有了完美的答案:通过对于宇宙背景微波辐射的观测,天文学家最终验证了1929年爱德文哈勃(Edwin Hubble)的猜想,即宇宙诞生于大约137亿年前的大爆炸(Big Bang)。之后,随着宇宙的演化,银河系、太阳系、地球,乃至我们人类自身,都陆续登场。

  2006年10月,正是凭借这一重要成就,美国科学家乔治斯穆特(George F Smoot)、约翰马瑟(John C Mather)分享了该年度的诺贝尔物理学奖。

  但我们对宇宙的了解,显然也还刚刚开始。就在此一个月后,美国航空航天局(NASA)公布的最新研究结果表明:至少在90亿年前,一种被称为“暗能量”(dark energy)的神秘力量已经存在。

  也就是说,在整个宇宙诞生后不到50亿年时,就开始受到暗能量影响。而此前,科学家普遍认为,在宇宙的早期,或许这种力量并不存在,因为那个时候主宰一切的还是我们熟悉的引力。

  尽管这一结果仍不能确定地告诉我们宇宙的未来是怎样的,但显然,它为我们彻底理解宇宙的运行规律带来了新的曙光。相关的论文也将发表在2007年2月美国《天体物理学报》(The Astrophysical Journal)上。

  这一研究小组的负责人、美国约翰霍普金斯大学(John Hopkins)教授阿德姆瑞斯(Adam Riess)在接受《财经》记者采访时表示:“我们距离真正了解暗能量仍然很远。但很显然,这是非常重要的一步,因为它给出了更多的‘线索’(clue)。”

  宇宙为什么加速膨胀?

  暗能量的发现过程极富戏剧性。

  按照宇宙大爆炸理论,在大爆炸发生之后,随着时间的推移,宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢,就像缓慢踩了刹车的汽车一样。也就是说,距离地球相对遥远的星系,其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。

  但1998年,美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)物理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)高级科学家索尔皮尔姆特(Saul Perlmutter),以及澳大利亚国立大学布赖恩施密特(Brian Schmidt)分别领导的两个小组,通过观测发现,那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。

  换句话说,宇宙是在加速膨胀,仿佛一辆不断踩油门的汽车,而不是像此前科学家所预测的那样处于减速膨胀状态。

  这样一个完全出乎意料的观测结果,从根本上动摇了对宇宙的传统理解。那么到底是什么样的力量,在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢?

  科学家们将这种与引力相反的斥力来源,称为“暗能量”。但“暗能量”到底意味着什么?至今我们能够给出的,只是一个十分粗略的宇宙结构“金字塔图景”:

  我们所熟悉的世界,即由普通的原子构成的一草一木、山河星月,仅占整个宇宙的4%,相当于金字塔顶的那一块。

  下面的22%,则为暗物质。这种物质由仍然未知的粒子构成,它们不参与电磁作用,无法用肉眼看到。但其和普通物质一样,参与引力作用,因此仍可能探测到。

  作为塔基的74%,则由最为神秘的暗能量构成。它无处不在,无时不在,由于我们对其性质知之甚少,所以科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在。惟一的手段,仍然是通过天文观测这种间接手段来了解其奥秘。

  对Ia类型超新星(supernova)的爆发进行观测,则是目前最主要观测手段。这种超新星是由双星系统中的白矮星(white dwarf)爆炸形成的,亮度几乎恒定。这样,通过测量其亮度,就可以知道其和地球之间的距离,进而了解其速度。

  借助哈勃这样灵敏的天文仪器的帮助,我们至少可以观测到90亿光年之外,即了解宇宙在90亿年前的信息。

  霍普金斯大学教授阿德姆瑞斯给我们展示的最新“暗能量”场景如下:

  在大爆炸后的初期,宇宙经历了一个急速膨胀阶段。此后,由于暗物质以及物质之间的距离非常接近,在引力作用下,宇宙的膨胀速度开始减速。

  然而,至少在90亿年前,宇宙中另外一种力量——表现为排斥力量的暗能量已经出现,并且开始逐步抵消引力作用。

  随着宇宙的膨胀,不断增长的暗能量终于在大约50亿至60亿年前超越引力。此后,宇宙从减速膨胀,转变为加速膨胀状态,并且一直持续至今。

  爱因斯坦的遗产

  中国科学技术大学物理学教授李淼曾经半开玩笑地表示:“有多少暗能量专家,就有多少暗能量模型。”也许这种说法不无夸张之处,但暗能量在理论方面的混沌状况,从中也可见一斑。

  其中,最具戏剧性的理论,则是复活爱因斯坦当年提出的“宇宙常数”(cosmological constant)。1917年,被认为是整个20世纪最伟大的科学家阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein),为了建立一个稳态宇宙模型,最早提出了这个概念。不过,后来就连他本人也承认,“宇宙常数”只是一个错误的概念。

  但暗能量的存在,则为宇宙常数提供了新的可能性。如果暗能量就是这个宇宙常数的话,那么它的力量强弱将只和宇宙的大小有关。随着宇宙的膨胀,其体积逐渐增大,因而暗能量也将逐渐增大。最终,它会达到一个临界点,使得宇宙从减速状态变成加速状态,并且一直加速下去。

  中国科学院高能物理所研究员张新民在接受《财经》记者采访时指出,迄今为止的观测结果,包括瑞斯最新的结果在内,与爱因斯坦的宇宙常数理论“都很符合”。

  但是,宇宙常数距离成为一种确定性的暗能量理论还差得很远。一些科学家半开玩笑地说,按照这种模型,宇宙将一成不变地加速膨胀下去,未免太“枯燥”(boring)了一些。

  当然,最为致命的是,按照量子场论计算出来的宇宙常数,比天文观测获得的上限至少也要高出10的120次方倍。

  一个最为诡异但不乏科学依据的解释,是“多宇宙论”。观测和理论或许都没有错,事实上,在我们生存的宇宙之外,还存在多到无法计数的其他的宇宙。科学家们可以想像到的宇宙数量不是以万或者亿来计算的,很可能多到10的1000次方个。

  每个宇宙都有不同的宇宙常数,而我们恰恰生存在一个宇宙常数很小的宇宙中。仿佛冥冥之中有一个“上帝之手”,把一个适合智慧生命生存的宇宙呈现在我们面前。

  但对于这种寄希望多宇宙存在的“人择原理”(anthropic principle),在天文学家和物理学家中间都存在很大的争议。中国科学院高能物理所研究员张新民对《财经》记者说,很多人认为这仅仅是一种猜想而已,还远远谈不上“原理”。

  更为尖锐的批评,则认为这种解释与其说是一种科学理论,倒不如说更像一种宗教信仰。

  为避免这种冲突,科学家们提出个各种暗能量理论,来代替宇宙常数模型。其中比较有代表性的包括精质(quintessence)模型、幽灵(phantom)模型等,张新民和中国科学技术大学物理学教授李淼也分别提出了精灵(quintom)和全息(holographic)模型。

  宇宙的未来

  如果这些替代的暗能量理论能够成立,它们所指向的将是截然不同的宇宙未来:

  根据精质等动力学标量场(scalar field)模型,宇宙的未来将复杂得多;也许将继续加速膨胀下去,也许会减缓膨胀的速度,甚至走向收缩,导致宇宙最终以与大爆炸相反的“大坍缩”(big crunch)收场。

  而根据幽灵模型,暗能量将不断增大,导致宇宙以越来越快的加速度膨胀。最终,宇宙将走向“大撕裂”(big rip)。

  精灵模型则给出了一个“振荡的未来”。张新民对《财经》表示,根据他提出的这一理论,整个宇宙将在加速膨胀和减速膨胀之间反复演绎,“大坍缩”和“大撕裂”这两种极端的情况都不会出现。

  最大的困难,在于迄今为止,我们能够研究暗能量的手段仍然十分有限。目前,最主流的仍然是借助超新星的观测。但有些人担心,特别是在宇宙早期,可能超新星的亮度也不是恒定的,它也有自己的演化过程。

  即使这种担心可以排除,鉴于这些超新星距离地球非常非常遥远,观测它们的难度,在瑞斯看来就像在两个月球的距离之外观测一个60瓦的灯泡。即使哈勃望远镜具有非常高的敏感度,也存在难以消除的系统误差。

  通过对大尺度宇宙结构(比如星系团等)的研究,或许能为暗能量提供新的线索。一旦暗能量存在的话,星系团的形成过程可能要更慢一些,因为引力需要先克服这种斥力。

  目前,一个空间探测计划斯隆数字巡天(SDSS)已经完成了第一阶段为期五年的运行,一旦全部完成之后,这一足以覆盖四分之一的天空的精细光学成像设备,无疑将披露更多的细节。

  据悉,目前中国科学家也正在试图利用北京附近新上马的LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱望远镜)来观测超新星,从而探索在中国首次进行暗能量实验研究的可能性。而利用伽马暴(超大质量星体爆发而形成的宇宙高能辐射),也许将为进一步研究更早期的暗能量提供间接手段。

  北京师范大学物理学教授朱宗宏在接受《财经》记者采访时指出,目前对于伽马暴天文学的探索还处在初级阶段,有点类似于1998年暗能量刚被发现时的超新星天文学,但其某些性质,从长期来看仍然有可能用来研究暗能量。

  那么,是否有可能利用实验室来直接研究暗能量呢?一些人已经宣称,可以利用纳米技术来实现这一目标。瑞斯在接受《财经》采访时表示,一些科学家也希望利用短距离(short-range)的引力实验,发现暗能量的线索。

  美国加州理工学院(CIT)的物理学家西恩卡罗尔(Sean Carroll)也对《财经》记者强调,要找到一个更具确定性的模型,不仅需要天文学上的数据,可能更需要来自粒子物理学的证据。尤其是2007年即将在欧洲投入运行的大型强子对撞机(LHC),或许“我们可以期待”。

  不过,由于对暗能量的性质、包括与其他物质的反应机理还不清楚,很多科学家认为,短期之内还无法对实验室内的工作寄予太大希望;更为现实的渠道,或许仍来自天文观测。

  如果不出意外,普朗克(PLANCK)探测器将于2007年一季度正式升空,它将对天空进行更加精密的探测。在接受《财经》记者采访时,皮尔姆特也表示,由它所在的实验室负责设计的超新星加速探测器(SNAP),按照计划将于2013年或者2014年升空。

  “在未来五到十年中,我们对于暗能量的性质或许将有更加清晰的了解。”英国诺丁汉大学物理与天文学院教授克里斯托弗康瑟利斯(Christopher Conselice)对《财经》记者说。

  几乎没有人否认,暗能量对于整个宇宙学乃至物理学而言,都不啻是一场革命。1979年诺贝尔物理学奖得主斯蒂芬温伯格(Steven Weinberg)曾明确表示,“如果不解决暗能量这个‘路障’,我们就无法全面理解基础物理学。”著名华裔物理学家、1957年诺贝尔物理学奖得主李政道也断言,暗能量将是21世纪物理学面临的最大挑战。

  但是,何时是这个“绝对配得上诺贝尔奖”的问题的终点,目前还是一个巨大的问号。正如卡罗尔在接受《财经》记者采访时所言,“目前还没有任何理论,配得上这一奖赏。”

  瑞斯也对《财经》记者强调,理论工作非常困难。在这样一个十分前沿的领域,何时能取得突破,的确难以预测。

  在康瑟利斯看来,一旦暗能量得以真正证实,1998年两个超新星观测小组的负责人皮尔姆特、施密特,以及其他从事宇宙背景微波辐射研究工作的,都是比较有可能的候选人。也就在2006年6月,皮尔姆特、施密特和瑞斯三人,因在这个领域的杰出贡献,共同分享了该年度的“邵逸夫天文学奖”。

  当然,这场长跑刚刚过去了不足九个年头,真正的竞争或许刚刚开始。
获宇宙学最高奖
Saul Perlmutter(图中人物)团队和竞争对手Brian Schmidt团队共同获得2007年Gruber宇宙学奖。
  2007年宇宙学最高奖项——Gruber奖于近日揭晓,提出“宇宙膨胀加速论”的两个国际科学家团队获得该奖项。他们分别是美国加州大学伯克利分校Saul Perlmutter领导的“超新星宇宙学计划”(Supernova Cosmology Project)团队和澳大利亚国立大学Brian Schmidt领导的“高红移超新星搜寻”(High-Z Supernova Search)团队。除获得奖章外,两个团队总共将得到50万美元的奖金。

  通过研究遥远的超新星爆发,这两个竞争激烈的研究团队于1998年提出,宇宙的膨胀速度并非大多数人认为的越来越慢,而是在加速进行。他们的发现直接导致人们认识到,主宰宇宙的并非普通的物质和能量,而是一种未知的神秘力量——“暗能量”(Dark Energy),它与万有引力的作用恰好相反,促使宇宙空间不断延伸。现在科学家普遍认为,宇宙中95%以上的密度来源于暗能量和暗物质(Dark Matter)。
Brian Schmidt
  Gruber基金会强调了这两个研究团队之间的激烈竞争,它表示,“这两个团队并驾齐驱,互不相让,最终同时得到了相同的结论。”此外,两个团队利用新技术测量超新星爆发的精确距离也是他们获奖的重要原因。

  Gruber宇宙学奖由一位爱好宇宙学的商人Peter Gruber在2000年设立,每年颁发一次。从2001年开始,该奖项由国际天文学联合会(IAU)和Gruber基金会共同资助。该奖项由一枚金质奖章和25万美元的奖金组成,主要奖励杰出的天文学家、宇宙学家、物理学家、数学家或者科学哲学家。

  2006年的获奖者是John Mather及其领导的宇宙背景探测(Cosmic Background Explorer,简称COBE)团队。该团队以空前的精度测量了宇宙微波背景辐射能谱,所得到的结果表明能谱与黑体辐射谱完美吻合,因此证实了宇宙的大爆炸起源。

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参考文献编辑本段回目录

http://en.wikipedia.org/wiki/Brian_P._Schmidt


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