任時光匆匆流去，我只在乎宇宙的過去｜趙公博

作者：由芷卉子吟發表于育兒日期：2021-09-08

我們感知到的整個宇宙，要追溯到138億年前的宇宙大爆炸。在此之前，宇宙是一個無限小的奇點——宇宙大爆炸之後，我們才有了時間和空間。那麼，在大爆炸之後，宇宙又經歷了哪些大的變化呢？我們是怎麼知道宇宙是正在加速膨脹的？國家天文臺研究員趙公博和大家分享《什麼樣的能量，讓宇宙加速膨脹了60億年？》

趙公博演講影片：

以下為趙公博演講實錄：

我是趙公博。

15年前當我決定研究宇宙學的時候，我的父母語重心長地跟我說：“你研究科學我們支援，但如果以後找不著工作我們可不養你。”在我鬱悶的時候，我的朋友跟我說：“你小子真牛，牛得好變態啊。”

後來我就思考，為什麼大家會有這樣的反應？

最後得出個結論：

當人們面對未知的時候，反應往往是本能的牴觸，甚至是恐懼

。

想象一下：把眼睛矇住坐在過山車上，從最高點來個自由落體——是不是會尖叫？研究宇宙也是這樣，因為我們面對的未知實在是太多了。

什麼是宇宙？我們的先人曾經給出了精確的定義，“四方上下謂之宇，往古來今謂之宙”（漢代劉安《淮南子·齊俗》）。簡單來說，“宇”是空間，“宙”是時間，宇宙學是一門研究時空的學問。

光的傳播需要時間。屋子裡燈光一亮大家就能看見我了，不需要等待，因為距離太短了。但在宇宙巨大的時空尺度上，可能需要等很長的時間才能收到來自遠古的星光。也就是說，

當你看到宇宙的深處，你就看到了過去

。

宇宙學中，我們常用的長度單位不是米，也不是公里，而是光年。換算過來，1光年大概是94600億公里。

這是一位天空攝影師拍到的銀河系照片，我們可以看到漂亮的銀河。銀河是個盤狀結構，它的直徑是10萬光年以上。也就是說，光從銀河的一端射到另外一端需要10萬年。

仙女座星系，距地球250萬光年

這是哈勃太空望遠鏡拍攝到的仙女座星系，它距離我們250萬光年。也就是說，這幅美麗的圖片是它250萬年前的樣子；而它今天的樣子，恐怕我們還要再等250萬年才能看到，也許那個時候它已經不存在了。

風車星系，距地球2100萬光年

這是更遠一點的風車星系，距我們2100萬光年。

所以對於我們的研究，可以這麼說：“

任時光匆匆流去，我只在乎你——的過去

”

我們只能看到過去，沒有辦法看到現在和未來。

基於對過去的研究，我們知道今天的宇宙裡面含有這三大部分：普通物質、暗能量和暗物質。普通物質包括你、我、地球、太陽和黑洞，只佔宇宙總能量的4%，而其餘的96%我們完全不知道，只知道其中某些性質，比如73%的暗能量、20%的暗物質。

諾貝爾物理學獎每年頒發一次，已經100多年了。而這100多個諾貝爾物理學獎，基本上都頒發給了那些基於4%的研究。可以推斷，剩下96%還有更多諾貝爾獎等著我們去拿，還有巨大的未知空間等著我們去探索。

宇宙已經138億高齡，這幅圖是我們重建出來的宇宙演化歷史。

開端是宇宙大爆炸，宇宙急速膨脹，在短短的幾分鐘之內就好似從嬰兒發育成了巨嬰。

中間是宇宙的生長髮育過程，就像植物生長，速度緩慢了下來。

在這個過程中，形成了第一代恆星，宇宙自此被點亮。有了恆星，就有了更大的結構：很多恆星聚集在一起形成了星系，大量的星系聚集在一起形成了星系團，整個宇宙開始豐富多彩起來。

上述過程結束後，就到了我們今天說的60億年前的宇宙。此時，宇宙又開始加速膨脹，而這也是今天困擾科學家的最大的國際難題：為什麼宇宙會加速膨脹？到底是什麼激發了宇宙的第二次發育？

說起宇宙膨脹，我們必須提到一位牛人，牛頓。一個蘋果偶然間砸中了牛頓智慧的大腦，他發現了萬有引力定律——任何兩體之間都有吸引的作用。但是牛頓並沒有告訴我們為什麼會這樣。

後來，革命性的人物出現了，愛因斯坦。在面對同樣現象的時候，他沒有在牛頓力學的基礎上進一步修正，而是徹底推翻了牛頓的理論。在愛因斯坦看來，兩體之間互相吸引有更深層次的原因，即兩體都改變了周圍的時空性質。一個大球使得周圍的時空發生扭曲，這個扭曲傳遞到小球上導致了一個相互的繞轉運動。

愛因斯坦得到相對論方程之後非常興奮，馬上利用這個新理論去研究宇宙。結果非常意外，他發現宇宙有兩種演化形式：一種是膨脹，一種是塌縮。於是愛因斯坦陷入了深深的困惑，因為在他（包括當時所有人）看來，宇宙應該是靜態穩定的，歲月靜好、現世安穩，怎麼可能膨脹或者塌縮呢？

所以愛因斯坦在困擾之餘，就開始想辦法解決他的理論。他說，宇宙膨脹我是沒法想象的，因為任何物質之間都有引力作用，在引力的作用下宇宙怎麼可能膨脹呢？如果宇宙壓縮，我還能接受。所以首先他就把宇宙膨脹這個結論給排除掉。

那麼，怎麼避免宇宙坍縮呢？很簡單，他在方程裡面加入一個宇宙學常數——

萬有斥力，與引力相抵消

。

本來故事可以結束了，但是一位英國的物理學家哈勃徹底地粉碎了愛因斯坦的夢想。

1929年，哈勃發現了一個非常有意思的現象：所有的星體都在遠離我們，並且越遠的後退得越快。這就說明整體宇宙是在膨脹的，只是日常中我們感受不到，但在宇宙的時空尺度上非常明顯的。

因此愛因斯坦非常懊悔，他在晚年的時候說：“我雖然這一輩子做了很多科學發現，也得了諾貝爾物理學獎，但是引入萬有斥力是我一生中犯的最大的錯誤，沒有之一。”

可是故事還沒有結束。1998年，三位科學家基於對超新星的觀測，發現宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹，從60億年以前就開始了。這個發現在2011年獲得了諾貝爾物理學獎。

右邊這幅圖是Science當年的雜誌封面，可以看到愛因斯坦的表情非常矛盾。他為什麼是這種表情？

當年愛因斯坦認為宇宙要塌縮，他引入個萬有斥力本來想讓宇宙變得穩定，可是沒想到宇宙本來就膨脹。但是在膨脹宇宙的基礎上，再加入萬有斥力會讓它膨脹更快。所以愛因斯坦是

從完全錯誤的出發點得出了正確的結論

，他當年引入的萬有斥力剛好和1998年的天文發現驚人地吻合。所以愛因斯坦悲喜交加，心情矛盾。

那麼，暗能量到底是什麼？

可能是宇宙學常數（萬有斥力），跟時間和空間都沒關係，而是真空的能量。

還可能是一種未知的能量場，不是一成不變的，可能隨著時間和空間發生變化。

也有可能是一種未知的引力效應。愛因斯坦的廣義相對論是目前最成功的引力理論，但目前的適用範圍僅是太陽系或者銀河系，但是用到宇宙學尺度上對不對呢？還沒有人知道。也許愛因斯坦方程需要在大尺度上進行修改或者修正，帶來一種宇宙加速膨脹效應。

還有人說，物質存在形式不只有物質和能量，還可以是資訊。我們今天進入了資訊時代，資訊能不能產生能量，推動宇宙加速前行呢？

這些理論，我們今天怎麼去驗證呢？當然是依靠觀測，這也是我的研究方向——

利用大樣本的星系巡天，從裡面找到一些暗能量的蛛絲馬跡

。

圖片中，每一個點都代表一個星系，我們常用的研究手段是計算兩點關聯函式。

什麼叫兩點關聯函式呢？我給各位舉一個例子——

想象一個很大的房間，裡面有男有女。

一個男人遇到了一個心儀的女人，剛認識情竇初開，不好意思親密接觸，就保持一定的距離。慢慢地，距離會不斷縮小，最後終成眷屬。當然也有意外事件發生，距離可能是無窮遠，甚至是1億光年。

我們可以測量任何一個男人和一個女人的距離。以情侶之間的距離為橫座標，以滿足相應距離的情侶對數為縱座標，我們可以繪製兩點關聯函式的曲線，就像我畫的示意圖這樣，它能告訴我們房間裡人群的呈團性。

其實星系跟我們人一樣，也是相愛相殺的。左圖是我們根據實驗資料畫出的星系的兩點關聯函數了，橫座標是任何兩個星系之間的距離，縱座標是星系“情侶”的對數。各位看到，在某個尺度上曲線存在凸起，而這個凸起對我們來說是最重要的，因為它可以作為一把標準尺去丈量宇宙，告訴我們宇宙的幾何性質，進而我們就能夠間接地推斷暗能量的某些性質。