出品| 新浪科技《科學(xué)大家》

　　撰文| 趙公博 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授、天文學(xué)系主任

　　我國(guó)古代先人非常有智慧，在漢代古書劉安的《淮南子·齊俗》中，就提到過(guò)“四方上下謂之宇，往固來(lái)今謂之宙”，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)宇是空間，宙是時(shí)間，所以宇宙學(xué)是一門研究時(shí)空的學(xué)問(wèn)。

　　在宇宙中，時(shí)間和空間基本上是一回事。因?yàn)楫?dāng)你看到宇宙深處的時(shí)候，你就看到了過(guò)去。我們通常提到的宇宙學(xué)長(zhǎng)度單位：光年，看起來(lái)挺奇怪，像個(gè)時(shí)間單位，實(shí)際上是長(zhǎng)度單位，代表是光走一年的距離。

　　光走一年的距離是多遠(yuǎn)呢？也不是很遠(yuǎn)，大概就是94600億公里。那銀河系有多大呢？直徑十萬(wàn)光年以上，也就是說(shuō)，從銀河系的這一端走到另外一端，光要走十萬(wàn)年。

　　當(dāng)你看到更遙遠(yuǎn)的星系，比如仙女座星系，距離地球250萬(wàn)光年，你看到的這個(gè)樣子是它250萬(wàn)年前的樣子，今天可能已經(jīng)不存在了，另一個(gè)風(fēng)車星系離我們更遠(yuǎn)，有2100萬(wàn)光年。

　　所以對(duì)研究宇宙學(xué)、天文學(xué)的人來(lái)說(shuō)，“任時(shí)光匆匆流去，我只在乎你的過(guò)去”，看不到未來(lái)，我們只能通過(guò)過(guò)去了解宇宙發(fā)生了什么。

　　如何探索宇宙演化歷史

　　要研究宇宙，你首先需要一個(gè)非常好的理論，而要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)好的理論，你需要一個(gè)聰明的大腦。愛因斯坦就建立了非常偉大的理論：廣義相對(duì)論，但同時(shí)你還需要有非常好的觀測(cè)方法去檢驗(yàn)理論，其中多重宇宙探針就是用各種各樣不同的手段去探索宇宙。

　　宇宙微波背景輻射是我們的一個(gè)觀天利器，它的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，類似利用微波爐的波段去探測(cè)光子在全天區(qū)的分布，根據(jù)大爆炸理論的預(yù)言，在天空中有一個(gè)3K的微波背景輻射，這個(gè)微波背景輻射在天空的分布中帶有大量宇宙學(xué)信息，因?yàn)檫@些光子是從宇宙大爆炸之后的38萬(wàn)光年飛到了我們的今天，攜帶了大量沿途的“風(fēng)景”，所以我們說(shuō)宇宙微波背景輻射是探索宇宙嬰兒時(shí)期的利器。宇宙微波背景輻射研究（cosmic microwave background簡(jiǎn)稱CMB）已經(jīng)兩次獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光：超新星

　　我們不僅可以通過(guò)看光子去研究早期宇宙發(fā)生了什么，我們還可以通過(guò)觀測(cè)另一種星級(jí)-----超新星，它們被稱作宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光，距離我們相對(duì)近一些。為什么稱之為標(biāo)準(zhǔn)呢？因?yàn)樗鼜谋�發(fā)到死亡，光度隨著時(shí)間是有規(guī)律的，我們可以利用超新星的光度去推斷它和我們的距離。

　　另一方面，利用今天的光譜技術(shù)能夠測(cè)算出速度，有了距離有了速度，科學(xué)家就可以測(cè)量很多有意思的宇宙信息，比如宇宙學(xué)參數(shù)等等。

　　通過(guò)超新星，1998年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，并且是加速膨脹， 2011年的諾貝爾物理獎(jiǎng)就頒發(fā)給了超新星相關(guān)的研究工作。

　　宇宙的標(biāo)準(zhǔn)的汽笛：引力波

　　引力波被稱為宇宙的標(biāo)準(zhǔn)的汽笛，研究宇宙不僅可以靠看，還可以靠聽。當(dāng)兩個(gè)致密天體相互并合繞轉(zhuǎn)的時(shí)候，它會(huì)形成時(shí)空的漣漪，就像聲音能被大家能聽到一樣，因?yàn)榭諝庠诼曇魝鞑ギ?dāng)中壓強(qiáng)發(fā)生了變化，引力波是時(shí)空的漣漪，本質(zhì)上振動(dòng)可以通過(guò)“聲音”聽到。而且引力波攜帶了非常重要的宇宙學(xué)的信息，所以被叫做標(biāo)準(zhǔn)汽笛。2017年引力波的相關(guān)研究也獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

　　宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺：重子聲波振蕩

　　我的研究領(lǐng)域是做重子聲波振蕩，它被稱作宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺，前面有燭光可以看亮度，有汽笛可以聽聲音，標(biāo)準(zhǔn)尺可以測(cè)量距離。我們的方法是利用大量的星系樣本，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的性質(zhì)從里面提取宇宙的演化信息。重子聲波振蕩研究在2014年也獲得了邵逸夫獎(jiǎng)。

　　從這里不難看到，每一種研究方式都很重要。結(jié)合這些觀測(cè)，我們今天能了解宇宙能量組成：4%是大家比較熟悉的普通物質(zhì)。普通物質(zhì)就是你、我、他、太陽(yáng)、黑洞，這些都可以叫做普通物質(zhì)，你可以看得見摸得著。剩下的96%都是我們不知道的，分成兩部分，大概三分之二的是暗能量，剩下的是暗物質(zhì)。

　　自從20世紀(jì)初設(shè)立諾貝爾物理獎(jiǎng)以來(lái)，一百多次諾貝爾物理獎(jiǎng)都頒給了這4%，大家可以猜測(cè)一下，還剩下96%的“諾貝爾獎(jiǎng)”級(jí)研究工作等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

　　實(shí)際上，暗物質(zhì)、暗能量方面的研究已經(jīng)獲得了多次諾貝爾獎(jiǎng)，CMB研究獲得過(guò)兩次，加速膨脹研究2011年獲得諾獎(jiǎng)，引力波研究2017年獲得諾獎(jiǎng)，還有今年非常重要的Peebles的研究也獲得了諾獎(jiǎng)，他建立了一整套宇宙引力學(xué)的框架，如果沒(méi)有他，我們今天的宇宙學(xué)研究是很難展開的，他的工作奠定了基礎(chǔ)。

　　這就是我們今天所了解的宇宙演化歷史，基本上可以分為三部分，宇宙的開端。在這個(gè)階段宇宙的膨脹非常之迅速，是一個(gè)加速膨脹過(guò)程，就好像一個(gè)人在嬰兒階段生長(zhǎng)是非常迅速的，在很短的時(shí)間之內(nèi)從嬰兒變成了一個(gè)巨嬰。

　　中間這個(gè)過(guò)程宇宙在生長(zhǎng)發(fā)育，我們都知道有引力作用，在引力作用之下，時(shí)空的膨脹大家可以想像，應(yīng)該是減速的，因?yàn)槭窍嗷サ奈�引作用，在這種作用之下，宇宙慢慢的膨脹，宇宙結(jié)構(gòu)在慢慢的生長(zhǎng)，就像樹苗一樣。

　　直到60億年前，宇宙不知為什么又開始加速膨脹，而且是炸裂式的生長(zhǎng)，我們至今不知道原因。有些科學(xué)家認(rèn)為是由于有暗能量的存在導(dǎo)致的，但是暗能量是什么我們并不知道，我們只能慢慢接近，利用我們今天的巡天觀測(cè)，去分析它的性質(zhì)，探索它的本質(zhì)。

　　宇宙應(yīng)該分為這樣一些階段：大爆炸、之后的暴漲，非常急速的膨脹。然后宇宙當(dāng)中有一段時(shí)間是黑暗時(shí)代，這段時(shí)間宇宙里面沒(méi)有發(fā)光的東西，因?yàn)榈谝淮�恒星沒(méi)有形成，主要是氫。

　　大爆炸之后四億年左右，宇宙第一次被點(diǎn)亮，這是第一代恒星的形成，之后宇宙里面有越來(lái)越多、越來(lái)越豐富的結(jié)構(gòu)，恒星形成星系，星系形成星系團(tuán)。

　　最近在60億年前左右宇宙又開始了加速膨脹階段，這也是我本人研究的主要方向。

　　宇宙加速膨脹階段

　　我們先從最開始談起，宇宙加速膨脹列幾個(gè)數(shù)字大家感受一下，10的負(fù)36次方秒之內(nèi)宇宙膨脹了10的26次方倍，不是物質(zhì)在膨脹，而是時(shí)空本身在膨脹。

　　由于宇宙的膨脹，溫度也從最開始的10的32次方度下降到了一千萬(wàn)度，在此時(shí)的嬰兒宇宙里面開始存在一些基本粒子、光子、電子等等。

　　宇宙光子是最重要的媒介，不管你是用什么望遠(yuǎn)鏡，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡等，探測(cè)的都是光子，只是在不同的頻率上而已。

　　探測(cè)光子的頻率和微波爐的頻率是比較接近的，用來(lái)觀測(cè)在全天區(qū)當(dāng)中不同溫度的漲落。

　　上圖中藍(lán)色可能是溫度低一些的，橙色的溫度高一些，看起來(lái)毫無(wú)規(guī)律，但正是這毫無(wú)規(guī)律的天圖，里面蘊(yùn)含著豐富的宇宙學(xué)信息。

　　我們是如何知道宇宙有138億年呢？就是通過(guò)上圖。宇宙里70%的暗能量，20%的暗物質(zhì)怎么知道的？也是通過(guò)這幅圖。

　　這里講到一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)：彭齊亞斯和威爾遜當(dāng)時(shí)是貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師，他們的工作是要降低射電天線的噪聲，當(dāng)他們把設(shè)備對(duì)準(zhǔn)各個(gè)方向的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)有一個(gè)噪聲永遠(yuǎn)無(wú)法去掉，而且這個(gè)噪聲非常均勻，跟指向哪個(gè)方向并沒(méi)有關(guān)系。

　　而在同時(shí)代，不得不提到一位偉人，就是Peebles。Peeble當(dāng)年提出一個(gè)理論，當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的，Peebles則認(rèn)為宇宙不是靜態(tài)的，并且開始了一次大爆炸，基于大爆炸殘存的噪聲這個(gè)信號(hào)大概有多少呢？他發(fā)現(xiàn)大概是3K即零下270對(duì)應(yīng)的能量標(biāo)度。

　　當(dāng)這彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了這個(gè)噪聲之后，他們馬上聯(lián)想到Peebles的這個(gè)工作，于是他們趕緊跑過(guò)去跟普林斯頓的科學(xué)家包括Peebles一起討論，看看是不是預(yù)言的信號(hào)被我們發(fā)現(xiàn)了，最后，1978年彭齊亞斯和威爾遜獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

　　光子在宇宙大爆炸38萬(wàn)年之后變得自由，然后飛向我們，之后的宇宙就變的豐富多彩，在宇宙里存在暗物質(zhì)。什么是暗物質(zhì)呢？中午各位吃飯的時(shí)候可能吃了很多暗物質(zhì)，它是物質(zhì)，但是跟你沒(méi)有相互作用，但正是這些暗物質(zhì)的存在，使得我們的宇宙里面的結(jié)構(gòu)可以形成。

　　我們通過(guò)數(shù)字模擬得到的宇宙形成演化。右圖為數(shù)字模擬，已經(jīng)和我們今天觀測(cè)到的星系非常接近了，有各式各樣形態(tài)的星系，橢圓星系、漩渦星系等等。因此，暗物質(zhì)理論能夠很好的滿足今天的觀測(cè)。

　　宇宙為什么會(huì)加速膨脹

　　接下來(lái)就是我的研究領(lǐng)域，也是我們?nèi)缃裎粗�最困惑的一個(gè)方面，就是宇宙的膨脹或者宇宙的加速膨脹。

　　說(shuō)起這個(gè)問(wèn)題還要從從一位“牛人”說(shuō)起，就是牛頓，牛頓與蘋果的故事可能大家都非常熟悉了，一個(gè)蘋果砸到了智慧的大腦，于是牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。他發(fā)現(xiàn)任何兩體之間的互相吸引，但是卻沒(méi)告訴我們?yōu)槭裁�，他只是發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象。

　　20世紀(jì)初，愛因斯坦建立了一個(gè)非常時(shí)髦的理論：相對(duì)論，當(dāng)年沒(méi)有幾個(gè)人能理解。當(dāng)愛因斯坦面對(duì)同樣現(xiàn)象的時(shí)候，卻陷入了深深的思考，他給出了一個(gè)完全不同的解釋，為什么兩體之間能夠互相吸引呢？愛因斯坦認(rèn)為是因?yàn)槲镔|(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致周圍時(shí)空的扭曲，物質(zhì)告訴時(shí)空怎么扭曲，時(shí)空反過(guò)來(lái)告訴物質(zhì)怎么去運(yùn)動(dòng)。

　　愛因斯坦得到相對(duì)論之后，他迫不及待的把它運(yùn)用到宇宙的研究，當(dāng)時(shí)他發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)可能的解，一種情況就是宇宙要收縮，另外就是宇宙要膨脹。

　　這兩個(gè)解愛因斯坦都非常不滿意，因?yàn)闆](méi)有人希望我們有一天坍縮到起點(diǎn)，或者膨脹的四分五裂。于是愛因斯坦在想，我怎么樣讓宇宙保持穩(wěn)態(tài)，不膨脹也不收縮呢？

　　對(duì)方程我們不去深究，它的意思就是時(shí)空曲率等于物質(zhì)分布。物質(zhì)分布可能有吸引的作用，你可以想象一個(gè)收縮的時(shí)空比較容易理解，因?yàn)槲镔|(zhì)之間有吸引作用，愛因斯坦認(rèn)為宇宙不可能膨脹，所以就把膨脹這個(gè)解給排除掉了。于是他想如果宇宙是收縮的可能我還有辦法，收縮是因?yàn)槿f(wàn)有引力，我為什么不引入萬(wàn)有斥力讓它不收縮呢？在1917年愛因斯坦創(chuàng)造性的在他的方程后邊加入了一項(xiàng)，宇宙學(xué)常數(shù)，也就是最早的暗能量模型。

　　得到這個(gè)方程之后，愛因斯坦非常興奮：我的宇宙終于完美的平靜下來(lái)，而且我的廣義相對(duì)論終于可以被完美的運(yùn)用到宇宙上了。

　　但是時(shí)間沒(méi)過(guò)多久，1929年，英國(guó)的科學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙根本不是靜態(tài)的，宇宙是在膨脹的，而且離我們?cè)竭h(yuǎn)，它的膨脹速率越快，是一個(gè)正比關(guān)系，今天的宇宙還在不停的膨脹，跟距離成正比。

　　你可以想象愛因斯坦得知這個(gè)消息的時(shí)候是什么表情，他說(shuō)了一句話，翻譯成中文就是“引入宇宙學(xué)常數(shù)是我一生犯的最大錯(cuò)誤”，并且沒(méi)有之一，非常懊悔。

　　但是故事并沒(méi)有結(jié)束，1998年三位科學(xué)家利用超新星的研究發(fā)現(xiàn)：宇宙不僅在膨脹，而且還加速膨脹，大家想象一下當(dāng)年愛因斯坦引入宇宙學(xué)常是為什么？是為了讓宇宙不膨脹，他認(rèn)為宇宙是收縮的，加入這個(gè)常數(shù)之后宇宙可以不膨脹�？墒怯钪姹緛�(lái)就是膨脹的，加入萬(wàn)有斥力之后是不是膨脹的更快？所以愛因斯坦完全是從錯(cuò)誤的出發(fā)點(diǎn)得出了正確的結(jié)論。

　　這就是為什么你看98年的《Science》的雜志封面愛因斯坦的表情非常的復(fù)雜，很驚喜也很懊悔，科學(xué)也許就是這樣。

　　加速膨脹研究在1998年就被列為十大科技進(jìn)展之首。根據(jù)權(quán)威的一個(gè)國(guó)際機(jī)構(gòu)暗能量特別工作組的報(bào)告介紹，認(rèn)為暗能量的存在，說(shuō)明我們今天對(duì)基本粒子或者引力理論的理解或者不正確，或者不完備，總之需要一場(chǎng)基礎(chǔ)物理的革命。

　　當(dāng)然這是一個(gè)重大的機(jī)遇，我們今天生活在精確宇宙學(xué)的時(shí)代，我們有非常高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，可以從里面提取暗能量的信息，暗能量的方向也是美國(guó)十年規(guī)劃最高優(yōu)先級(jí)的研究方向，也是我們國(guó)家十三五重點(diǎn)突破的基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域之首。

　　大規(guī)模星系巡天研究暗能量

　　研究暗能量有多種手段，我本人的研究就是利用大規(guī)模的星系巡天。

　　上圖是我們從望遠(yuǎn)鏡里面拍攝的部分的星系，每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)星系。我們就是利用類似一種人口普查的方式，對(duì)星系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，叫做成團(tuán)性分析。

　　根據(jù)測(cè)量得到的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在某一個(gè)特殊的尺度上，星系的對(duì)數(shù)非常多，我們用天文學(xué)的標(biāo)度叫做100兆秒差距的這么一個(gè)尺度上，有一個(gè)局部的突起在那里。

　　這個(gè)突起的位置非常重要，因?yàn)樗鼇?lái)自早期宇宙的信息，反過(guò)來(lái)就可以推測(cè)宇宙的年齡、宇宙的膨脹速率、宇宙的組分等等信息。所以在宇宙學(xué)當(dāng)中，我們把它叫做宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺，也叫做重子聲波振蕩，是非常重要的一個(gè)物理工具。

　　這張圖展示了另外一個(gè)非常重要的效應(yīng)，叫做紅移畸變，它對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)信號(hào)。

　　我們利用黑洞在空間中的三維分布，去測(cè)量宇宙的膨脹歷史和結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)歷史，這些東西可以幫助我們研究暗能量。利用星系巡天我們可以提取三部分最重要的信息，對(duì)應(yīng)三大科學(xué)目標(biāo)：

　　第一個(gè)是重子聲波振蕩，它探索的是宇宙膨脹歷史，對(duì)應(yīng)暗能量的性質(zhì)。

　　第二個(gè)是紅移畸變，因?yàn)橛钪娼Y(jié)構(gòu)增長(zhǎng)是由引力做主導(dǎo)的，所以它可以研究引力的性質(zhì)。

　　第三個(gè)是小尺度成團(tuán)性可以幫助我們測(cè)量中微子質(zhì)量。因?yàn)橹形⒆咏^對(duì)質(zhì)量在地球上是很難研究的，你只能探測(cè)不同代的中微子質(zhì)量的相對(duì)絕對(duì)平方差，但是宇宙學(xué)里面你可以測(cè)量中微子絕對(duì)質(zhì)量。因?yàn)槿绻�中微子過(guò)多的話，中微子有很高的速度，它會(huì)使很多小的結(jié)構(gòu)無(wú)法形成，這些研究也都是未來(lái)獲得諾貝爾獎(jiǎng)、邵逸夫獎(jiǎng)的研究方向。

　　回到暗能量，我們與合作組一起，測(cè)量了宇宙膨脹速率和結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)率，可以測(cè)量一個(gè)非常關(guān)鍵的宇宙學(xué)的參數(shù)----暗能量的狀態(tài)方程。暗能量的所有性質(zhì)體現(xiàn)在這么一個(gè)方程或者一個(gè)函數(shù)上：

　　橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是狀態(tài)方程：暗能量的壓強(qiáng)和暗能量的密度之比。圖中畫了一條虛線，這是愛因斯坦在1917年預(yù)言的暗能量狀態(tài)方程，是嚴(yán)格等于負(fù)1的。很多年來(lái)大家把愛因斯坦的這個(gè)模型稱為標(biāo)準(zhǔn)宇宙暗能量模型，認(rèn)為暗能量就是真空的能量，盡管有很多理論上的問(wèn)題，但是大家也基本上廣泛接受了。

　　2017年我們利用最新的天文觀測(cè)，利用重子聲波振蕩，紅移畸變等等，重建了暗能量隨視線的演化歷史，可以明顯看到它不是等于負(fù)1，不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著時(shí)間而演化的。

　　藍(lán)色的部分就是我們得到的誤差，這個(gè)誤差比較大也足夠顯著。我相信隨著我們觀測(cè)能力的提高，我們會(huì)慢慢接近暗能量的本質(zhì)。

　　沒(méi)有答案的暗能量研究

　　如果暗能量真的是個(gè)動(dòng)力學(xué)，那意味著什么？這可能是非常值得我們思考的一個(gè)問(wèn)題，今天我是沒(méi)有答案的。

　　暗能量到底是什么呢？它是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)嗎？是真空的能量嗎？今天不能完全把它排除，但是看起來(lái)可能性并不是很大，有可能是一種未知的能量存在形式。

　　有沒(méi)有可能是一種引力的效應(yīng)呢？任何理論可能都有適用范圍，比如牛頓力學(xué)到宇宙學(xué)尺度可能就不適用了，廣義相對(duì)論可以用到更大的尺度，那在更大更大的尺度上，是不是廣義相對(duì)論也需要修正呢？它是不是有暗能量的候選者呢？也有可能，也有人說(shuō)暗能量是信息，統(tǒng)統(tǒng)都有可能。

　　隨著我們觀測(cè)手段、觀測(cè)能力的提升，我們現(xiàn)在用的是SDSS 2.5米口徑的望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)探測(cè)了一百萬(wàn)條星系的光譜，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，今年下半年開始DESI的合作項(xiàng)目，將基于一架更大的望遠(yuǎn)鏡，要探測(cè)兩千萬(wàn)條光譜。我們熟知的FAST射電望遠(yuǎn)鏡，口徑500米，也會(huì)在非常高的精度上給我們提供線索。

　　卡爾·薩根曾說(shuō)過(guò)，我們生活在宇宙當(dāng)中可以說(shuō)我們是非常孤獨(dú)的，我們是非常無(wú)知的甚至是有些傲慢的。但是不管怎么樣能夠在廣袤的空間和無(wú)限的時(shí)間當(dāng)中，大家一起共享一顆星球，共同研究宇宙，我想是我的榮幸。