出品| 新浪科技《科學大家》

　　撰文| 趙公博 中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學天文與空間科學學院教授、天文學系主任

　　我國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“四方上下謂之宇，往固來今謂之宙”，簡單來說宇是空間，宙是時間，所以宇宙學是一門研究時空的學問。

　　在宇宙中，時間和空間基本上是一回事。因為當你看到宇宙深處的時候，你就看到了過去。我們通常提到的宇宙學長度單位：光年，看起來挺奇怪，像個時間單位，實際上是長度單位，代表是光走一年的距離。

　　光走一年的距離是多遠呢？也不是很遠，大概就是94600億公里。那銀河系有多大呢？直徑十萬光年以上，也就是說，從銀河系的這一端走到另外一端，光要走十萬年。

　　當你看到更遙遠的星系，比如仙女座星系，距離地球250萬光年，你看到的這個樣子是它250萬年前的樣子，今天可能已經(jīng)不存在了，另一個風車星系離我們更遠，有2100萬光年。

　　所以對研究宇宙學、天文學的人來說，“任時光匆匆流去，我只在乎你的過去”，看不到未來，我們只能通過過去了解宇宙發(fā)生了什么。

　　如何探索宇宙演化歷史

　　要研究宇宙，你首先需要一個非常好的理論，而要創(chuàng)造一個好的理論，你需要一個聰明的大腦。愛因斯坦就建立了非常偉大的理論：廣義相對論，但同時你還需要有非常好的觀測方法去檢驗理論，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觀天利器，它的原理其實很簡單，類似利用微波爐的波段去探測光子在全天區(qū)的分布，根據(jù)大爆炸理論的預(yù)言，在天空中有一個3K的微波背景輻射，這個微波背景輻射在天空的分布中帶有大量宇宙學信息，因為這些光子是從宇宙大爆炸之后的38萬光年飛到了我們的今天，攜帶了大量沿途的“風景”，所以我們說宇宙微波背景輻射是探索宇宙嬰兒時期的利器。宇宙微波背景輻射研究（cosmic microwave background簡稱CMB）已經(jīng)兩次獲得了諾貝爾物理學獎。

　　宇宙標準燭光：超新星

　　我們不僅可以通過看光子去研究早期宇宙發(fā)生了什么，我們還可以通過觀測另一種星級-----超新星，它們被稱作宇宙標準燭光，距離我們相對近一些。為什么稱之為標準呢？因為它從爆發(fā)到死亡，光度隨著時間是有規(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)能夠測算出速度，有了距離有了速度，科學家就可以測量很多有意思的宇宙信息，比如宇宙學參數(shù)等等。

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

　　宇宙的標準的汽笛：引力波

　　引力波被稱為宇宙的標準的汽笛，研究宇宙不僅可以靠看，還可以靠聽。當兩個致密天體相互并合繞轉(zhuǎn)的時候，它會形成時空的漣漪，就像聲音能被大家能聽到一樣，因為空氣在聲音傳播當中壓強發(fā)生了變化，引力波是時空的漣漪，本質(zhì)上振動可以通過“聲音”聽到。而且引力波攜帶了非常重要的宇宙學的信息，所以被叫做標準汽笛。2017年引力波的相關(guān)研究也獲得了諾貝爾獎。

　　宇宙標準尺：重子聲波振蕩

　　我的研究領(lǐng)域是做重子聲波振蕩，它被稱作宇宙標準尺，前面有燭光可以看亮度，有汽笛可以聽聲音，標準尺可以測量距離。我們的方法是利用大量的星系樣本，利用統(tǒng)計學的性質(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。

　　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，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、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世紀初設(shè)立諾貝爾物理獎以來，一百多次諾貝爾物理獎都頒給了這4%，大家可以猜測一下，還剩下96%的“諾貝爾獎”級研究工作等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

　　實際上，暗物質(zhì)、暗能量方面的研究已經(jīng)獲得了多次諾貝爾獎，CMB研究獲得過兩次，加速膨脹研究2011年獲得諾獎，引力波研究2017年獲得諾獎，還有今年非常重要的Peebles的研究也獲得了諾獎，他建立了一整套宇宙引力學的框架，如果沒有他，我們今天的宇宙學研究是很難展開的，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。在這個階段宇宙的膨脹非常之迅速，是一個加速膨脹過程，就好像一個人在嬰兒階段生長是非常迅速的，在很短的時間之內(nèi)從嬰兒變成了一個巨嬰。

　　中間這個過程宇宙在生長發(fā)育，我們都知道有引力作用，在引力作用之下，時空的膨脹大家可以想像，應(yīng)該是減速的，因為是相互的吸引作用，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，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，我們至今不知道原因。有些科學家認為是由于有暗能量的存在導致的，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，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。然后宇宙當中有一段時間是黑暗時代，這段時間宇宙里面沒有發(fā)光的東西，因為第一代恒星沒有形成，主要是氫。

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

　　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數(shù)字大家感受一下，10的負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度，在此時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鏡，光學望遠鏡、射電望遠鏡等，探測的都是光子，只是在不同的頻率上而已。

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

　　上圖中藍色可能是溫度低一些的，橙色的溫度高一些，看起來毫無規(guī)律，但正是這毫無規(guī)律的天圖，里面蘊含著豐富的宇宙學信息。

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

　　這里講到一個偶然的發(fā)現(xiàn)：彭齊亞斯和威爾遜當時是貝爾實驗室的工程師，他們的工作是要降低射電天線的噪聲，當他們把設(shè)備對準各個方向的時候，他們發(fā)現(xiàn)有一個噪聲永遠無法去掉，而且這個噪聲非常均勻，跟指向哪個方向并沒有關(guān)系。

　　而在同時代，不得不提到一位偉人，就是Peebles。Peeble當年提出一個理論，當時很多人認為宇宙是靜態(tài)的，Peebles則認為宇宙不是靜態(tài)的，并且開始了一次大爆炸，基于大爆炸殘存的噪聲這個信號大概有多少呢？他發(fā)現(xiàn)大概是3K即零下270對應(yīng)的能量標度。

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

　　光子在宇宙大爆炸38萬年之后變得自由，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？中午各位吃飯的時候可能吃了很多暗物質(zhì)，它是物質(zhì)，但是跟你沒有相互作用，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。

　　宇宙為什么會加速膨脹

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

　　說起這個問題還要從從一位“牛人”說起，就是牛頓，牛頓與蘋果的故事可能大家都非常熟悉了，一個蘋果砸到了智慧的大腦，于是牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。他發(fā)現(xiàn)任何兩體之間的互相吸引，但是卻沒告訴我們?yōu)槭裁�，他只是發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象。

　　20世紀初，愛因斯坦建立了一個非常時髦的理論：相對論，當年沒有幾個人能理解。當愛因斯坦面對同樣現(xiàn)象的時候，卻陷入了深深的思考，他給出了一個完全不同的解釋，為什么兩體之間能夠互相吸引呢？愛因斯坦認為是因為物質(zhì)的存在會導致周圍時空的扭曲，物質(zhì)告訴時空怎么扭曲，時空反過來告訴物質(zhì)怎么去運動。

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

　　這兩個解愛因斯坦都非常不滿意，因為沒有人希望我們有一天坍縮到起點，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？

　　對方程我們不去深究，它的意思就是時空曲率等于物質(zhì)分布。物質(zhì)分布可能有吸引的作用，你可以想象一個收縮的時空比較容易理解，因為物質(zhì)之間有吸引作用，愛因斯坦認為宇宙不可能膨脹，所以就把膨脹這個解給排除掉了。于是他想如果宇宙是收縮的可能我還有辦法，收縮是因為萬有引力，我為什么不引入萬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，宇宙學常數(shù)，也就是最早的暗能量模型。

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

　　但是時間沒過多久，1929年，英國的科學家哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙根本不是靜態(tài)的，宇宙是在膨脹的，而且離我們越遠，它的膨脹速率越快，是一個正比關(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消息的時候是什么表情，他說了一句話，翻譯成中文就是“引入宇宙學常數(shù)是我一生犯的最大錯誤”，并且沒有之一，非常懊悔。

　　但是故事并沒有結(jié)束，1998年三位科學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，大家想象一下當年愛因斯坦引入宇宙學常是為什么？是為了讓宇宙不膨脹，他認為宇宙是收縮的，加入這個常數(shù)之后宇宙可以不膨脹�？墒怯钪姹緛砭褪桥蛎浀�，加入萬有斥力之后是不是膨脹的更快？所以愛因斯坦完全是從錯誤的出發(fā)點得出了正確的結(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雜，很驚喜也很懊悔，科學也許就是這樣。

　　加速膨脹研究在1998年就被列為十大科技進展之首。根據(jù)權(quán)威的一個國際機構(gòu)暗能量特別工作組的報告介紹，認為暗能量的存在，說明我們今天對基本粒子或者引力理論的理解或者不正確，或者不完備，總之需要一場基礎(chǔ)物理的革命。

　　當然這是一個重大的機遇，我們今天生活在精確宇宙學的時代，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十年規(guī)劃最高優(yōu)先級的研究方向，也是我們國家十三五重點突破的基礎(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。

　　上圖是我們從望遠鏡里面拍攝的部分的星系，每個點代表一個星系。我們就是利用類似一種人口普查的方式，對星系進行統(tǒng)計研究，叫做成團性分析。

　　根據(jù)測量得到的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在某一個特殊的尺度上，星系的對數(shù)非常多，我們用天文學的標度叫做100兆秒差距的這么一個尺度上，有一個局部的突起在那里。

　　這個突起的位置非常重要，因為它來自早期宇宙的信息，反過來就可以推測宇宙的年齡、宇宙的膨脹速率、宇宙的組分等等信息。所以在宇宙學當中，我們把它叫做宇宙標準尺，也叫做重子聲波振蕩，是非常重要的一個物理工具。

　　這張圖展示了另外一個非常重要的效應(yīng)，叫做紅移畸變，它對于我們來說是一個信號。

　　我們利用黑洞在空間中的三維分布，去測量宇宙的膨脹歷史和結(jié)構(gòu)增長歷史，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，對應(yīng)三大科學目標：

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

　　第二個是紅移畸變，因為宇宙結(jié)構(gòu)增長是由引力做主導的，所以它可以研究引力的性質(zhì)。

　　第三個是小尺度成團性可以幫助我們測量中微子質(zhì)量。因為中微子絕對質(zhì)量在地球上是很難研究的，你只能探測不同代的中微子質(zhì)量的相對絕對平方差，但是宇宙學里面你可以測量中微子絕對質(zhì)量。因為如果中微子過多的話，中微子有很高的速度，它會使很多小的結(jié)構(gòu)無法形成，這些研究也都是未來獲得諾貝爾獎、邵逸夫獎的研究方向。

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

　　橫坐標是時間，縱坐標是狀態(tài)方程：暗能量的壓強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，是嚴格等于負1的。很多年來大家把愛因斯坦的這個模型稱為標準宇宙暗能量模型，認為暗能量就是真空的能量，盡管有很多理論上的問題，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，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1，不是一個常數(shù)，而是隨著時間而演化的。

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

　　沒有答案的暗能量研究

　　如果暗能量真的是個動力學，那意味著什么？這可能是非常值得我們思考的一個問題，今天我是沒有答案的。

　　暗能量到底是什么呢？它是一個宇宙學常數(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，比如牛頓力學到宇宙學尺度可能就不適用了，廣義相對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，也有人說暗能量是信息，統(tǒng)統(tǒng)都有可能。

　　隨著我們觀測手段、觀測能力的提升，我們現(xiàn)在用的是SDSS 2.5米口徑的望遠鏡，已經(jīng)探測了一百萬條星系的光譜，但是遠遠不夠，今年下半年開始DESI的合作項目，將基于一架更大的望遠鏡，要探測兩千萬條光譜。我們熟知的FAST射電望遠鏡，口徑500米，也會在非常高的精度上給我們提供線索。

　　卡爾·薩根曾說過，我們生活在宇宙當中可以說我們是非常孤獨的，我們是非常無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限的時間當中，大家一起共享一顆星球，共同研究宇宙，我想是我的榮幸。