前言

自1970年起，我成為觀測超新星這一恒星爆炸現(xiàn)象的天文學(xué)家中的一員。我希望能了解它們是什么、以什么機制產(chǎn)生，以及它們?nèi)绾斡绊懹钪娴幕瘜W(xué)組成。一點意外的獎賞是，這些研究創(chuàng)造了把超新星變成最好的宇宙標(biāo)尺的方法，讓我們得以測量宇宙中的距離。其中一種超新星來自于太陽這樣的恒星死亡后留下的致密遺骸的熱核爆炸。這些Ia型超新星（SN Ia）成為了有用的標(biāo)準(zhǔn)燭光，它們的距離可以從其視亮度中精確的測定出來。就像水手依靠燈塔在大海上判斷距離，我們也可以用Ia型超新星來測量星系的距離——星系便是宇宙中那些由恒星組成的巨大“風(fēng)車”和龐大“飛艇”【指旋渦星系和橢圓星系�！�—譯注】，也就是超新星發(fā)生爆炸的地方。特別有趣的是，測量超新星的距離引出了關(guān)于宇宙組成的一幅全新夢幻圖景，在這幅圖景中，由空間本身的性質(zhì)所產(chǎn)生的暗能量主宰了宇宙。

從1912年開始，天文學(xué)家就在測量星系的運動了。幾乎每一個星系都在離我們的銀河系而遠去，這種現(xiàn)象被稱作紅移。1929年，埃德溫·哈勃將到星系的距離和它們的紅移聯(lián)系在了一起，指出遙遠星系的退行速度比我們的近鄰星系更快。這意味著我們住在一個膨脹中的宇宙里。

宇宙膨脹的消息讓阿爾伯特·愛因斯坦感到震驚。在此前的1917年，當(dāng)他咨詢天文學(xué)家時他們告訴他，宇宙是靜態(tài)的。他新提出的廣義相對論預(yù)言的宇宙要么是膨脹的，要么是收縮的。但是理論不能違背事實，即使是錯誤的事實。愛因斯坦無奈的添加了一個數(shù)學(xué)常數(shù)來修正這個問題——他假設(shè)宇宙有一種趨于膨脹的本性，能夠平衡引力將物質(zhì)拉到一起的趨勢，而這就是我們現(xiàn)今所謂暗能量的東西。愛因斯坦的“宇宙學(xué)常數(shù)”項的引入，是為了讓宇宙保持靜態(tài)，就像一個嫻熟的自行車手在起跑線上原地保持平衡一樣。所以當(dāng)十年之后愛因斯坦得知哈勃最新的天文觀測表明宇宙不是靜態(tài)的，他立即拋棄了宇宙學(xué)常數(shù)：“這在理論上是不能令人滿意的”。宇宙學(xué)常數(shù)從嚴(yán)肅的宇宙學(xué)討論中被遺棄了，誰需要這種東西？

1990年，當(dāng)天文學(xué)家正逐漸搞明白宇宙的組成時，我們遇到了一個問題、一個謎團和一個難以克服的困難。這個問題是，宇宙中大部分能產(chǎn)生引力的物質(zhì)是不可見的；這個謎團是，這些物質(zhì)沒有預(yù)期的多；難以克服的困難則是要讓暗物質(zhì)足夠多的話，宇宙的年齡就會比一些天體還要年輕。不可見并不是多么糟糕的事——我們可以通過探測不可見物質(zhì)的可觀測效應(yīng)來探測它們，即使它們并不發(fā)光——就像水手可以通過知道水面上的漣漪來預(yù)判一陣風(fēng)的到來。可見物質(zhì)掉入了冷暗物質(zhì)組成的宇宙蛛網(wǎng)，但宇宙中的物質(zhì)只占我們所偏好的理論對最干凈利落的宇宙圖景的估計值的三分之一。更糟的是宇宙時標(biāo)的困難。我們星系中最老的恒星的年齡大約為120億年。如果宇宙全都是能產(chǎn)生引力的物質(zhì)組成的，宇宙膨脹應(yīng)該隨時間越來越慢，根據(jù)宇宙膨脹算出來的宇宙年齡應(yīng)該是大約100億年。在100億年的宇宙中找到120億年的恒星并不會讓人相信這是物理世界的真實歷史。那這幅圖景出了什么錯誤？這些美好圖景上的輕微裂紋，是否預(yù)示著大爆炸理論有嚴(yán)重的問題，或者我們漏掉了什么東西？

在過去幾年，一些科學(xué)家團隊開始使用新儀器、新望遠鏡，包括哈勃望遠鏡，來尋找遙遠的超新星。這讓我們能夠測量宇宙膨脹的歷史。我們期待測得宇宙膨脹自大爆炸以來是如何減速的。我曾經(jīng)被囊括進一支這樣的團隊，一群歡樂的、無法無天的哥們（和一些姐們）組成的“高紅移超新星搜尋小組”（high-z supernova search team）。字母z是天文學(xué)家對紅移的簡寫，這個名字的意思是我們要尋找很高紅移、很遠距離上那些爆炸的恒星。

1997年，這項工作還在進行中時，我被邀請到普林斯頓做一系列講座，這些講座的內(nèi)容構(gòu)成了本書的基礎(chǔ)。不過當(dāng)我回顧過去的講義，我發(fā)現(xiàn)我們在1997這一年中幾乎沒有什么結(jié)果可以報告：盡管我們知道問題就在那，而且預(yù)見到了如何得到答案，解決這些天文難題的驚人答案卻是在那之后很短時間冒出來的。我當(dāng)時講了很多關(guān)于超新星如何爆炸、如何產(chǎn)生新的化學(xué)元素，但并沒有怎么講超新星如何用來測量宇宙的膨脹歷史。現(xiàn)在初步結(jié)果出來了，我們有了全新的驚人結(jié)論，一舉解決了十年前那些問題、謎團和困難。

遙遠超新星的觀測顯示，我們并非居住在愛因斯坦以為的靜態(tài)宇宙中，宇宙也不只是哈勃所說的在膨脹，而是在加速膨脹！我們把這一隨時間加速的膨脹歸功于一個能產(chǎn)生向外壓力的暗能量。在其最簡單的形式下，這可以是愛因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)，那個曾經(jīng)在60年的時間中被視作理論毒草的東西。暗能量補全了理論家們想要求索的宇宙質(zhì)量-能量組分，消除了天體年齡和宇宙當(dāng)前膨脹速率之間的矛盾，再補之以大爆炸本身留下的漫長余暉的最新測量，構(gòu)成關(guān)于宇宙組成的一幅完美、驚人的圖景。

過去五年，我們就像是在玩七巧板——完成了拼圖的大體框架，滑塊快速的各就各位，你幾乎能看出還差什么形狀。缺失的那個形狀可能是最重要的。由暗物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙的存在昭顯出，我們對空間的亞微觀性質(zhì)的理解還存在一個認知鴻溝：真空的性質(zhì)。沒有任何其他實驗室測量結(jié)果和物理理論預(yù)言出我們的觀測所指示的那么多暗能量。在最小的尺度上理解宇宙的下一步將會是把引力和自然界中其他幾種力統(tǒng)一起來。也許在暗能量這一發(fā)現(xiàn)的促動下，以后會有對這個瘋狂的宇宙的新理論視野，看起來更加簡單和理所當(dāng)然新圖景。但眼下，解決宇宙加速膨脹之謎仍是一個誘人深入研究的目標(biāo)。

我們對當(dāng)前宇宙的圖景是瘋狂的：它有中微子作為熱暗物質(zhì)；一些不知道是什么的東西作為冷暗物質(zhì)；大爆炸后10^-35秒時發(fā)生的暴漲；以及宇宙在暴漲年齡的10^52倍時間后，由暗能量導(dǎo)致的加速膨脹。這比任何人想象的都要瘋狂，而這些都是基于我們所無法看到的東西中找到的證據(jù)。我們通過觀測大爆炸本身產(chǎn)生的光，以及來自或穩(wěn)定、或變化、或爆炸的恒星的光，以及來自可觀測宇宙邊緣的星系的光，構(gòu)建了這一圖景。

在世人之前優(yōu)先體味觀察宇宙的新視角，是本書所將提及的那些辛勤工作的人們獨享的快樂。然吾樂樂不如眾樂樂，我希望能與你共享這一精彩旅途，讓對宇宙的理解帶給你非凡的激動。