我們怎么知道宇宙在膨脹？

雖然這是關于宇宙命運的重要問題，但是你不必緊張。無論會發生什么，我們討論的都是未來幾十億年后的事。你不僅有時間寫完你的暢銷小說，還能寫個續篇。但是，這個問題對我們很重要，因為這種重大問題的答案會讓我們更加了解宇宙。有時候，僅僅是提出這些問題，就能讓我們發現一些令人詫異的事情，它們還會影響我們的日常生活。比如，你知道自己手機里GPS的工作原理嗎？如果愛因斯坦沒有提出“物體以光速運動會怎么樣？”這個問題，那么我們就不可能用上精確的GPS系統。看似和地球無關的問題促進了相對論的發展。

為了預言宇宙的最終命運，科學家需要知道宇宙的膨脹速度，因此他們會測量周圍星系離我們而去的速度。

你應該知道，在一個膨脹的宇宙中，每一件東西都會遠離其他東西，而并不只是遠離中心。假設宇宙是一片面包，而你是上面的葡萄干。當面包在烘烤中膨脹時，每一粒葡萄干都會遠離其他葡萄干，但是葡萄干還是原來那么大。

為了知曉宇宙的命運，我們得知道宇宙的膨脹會不會發生改變。和幾十億年前比，其他星系遠離我們的速度是變慢了，還是變快了？我們想知道這個膨脹率是如何隨時間變化的。也就是說，我們需要知道物體在過去遠離我們的速度，然后和現在進行比較。預測將來是非常難的，但是對天文學家來說，調查過去很容易。宇宙是如此巨大，而光速是有限的，光需要花很長時間才能從遙遠的地方來到地球。這意味著非常遙遠的恒星發出的光是非常古老的，其中攜帶的信息也是非常古老的。看這光就看到了過去。

這反過來也是成立的。如果外星人在某個非常遙遠的行星上通過他們的望遠鏡觀察地球，那么他們看到的是很久以前離開地球的光線。此時，他們可能正在看幾年前發生在你身上的囧事（我們就不明說了）。

所以，一個物體越遠，它讓我們看到的光越古老，我們就越能從中看到遙遠的過去。也就是說，如果我們看到非常遠的物體以某個速度運動，而近一點的物體以另外一個速度運動，那么我們可以推斷，物體運動的速度是隨著時間而改變的。我們可以通過遙遠恒星的光譜測量它的移動速度，警察會用同樣的原理（多普勒效應）給你開超速罰單。一顆恒星遠離我們的速度越快，它的光在我們眼中就會變得越發偏紅。

想知道天體的距離，我們需要一些科學技巧。以這個問題為例：如何區分一顆很近的暗星和一顆很遠的亮星？從同一架望遠鏡里看，它們是一樣的，都像黑暗夜空中的暗淡小光點。事情一直都是這樣，直到科學家辨認出了一類特別的恒星，并且確信它們在宇宙任何地方都會做同樣的事情。這些特殊的恒星會以同樣的速率變大，達到特定大小時，它們會爆炸—準確地說，它們向內崩塌了，但是這個過程太過猛烈，所以會產生大爆發。這類爆發的星被稱為Ia型超新星。Ia型超新星的有用之處在于，它們一般以相似的方式爆發。也就是說，經過校準之后，如果你看到一個暗的Ia型超新星，那么它一定離你比較遠，如果你看到一個亮的Ia型超新星，那么它離你比較近。這就像宇宙里到處都放著相同的燈塔，從這一點我們就能想象它有多大、多壯觀。（宇宙神秘而復雜。）

天文學家稱這些Ia型超新星為“標準燭光”（他們就是那么浪漫）。有了這些，天文學家就能知道遙遠的物體到底有多遠（以及它們有多老），結合使用多普勒效應，他們還能知道這些物體的運動速度。這意味著天文學家們能夠測量宇宙的膨脹是如何隨時間變化的。

在意識到這些之后，有兩個科學團隊展開比賽，看看哪一方先測出宇宙膨脹的速率。然而，尋找Ia型超新星是有難度的，因為它們的爆發是一個持續時間不長的過程。為了抓住一顆Ia超新星，你必須持續不斷地掃描天空，找出那些突然變得特別亮然后又變得暗淡的亮點。這需要花一些時間。

這兩隊科學家都假設宇宙的膨脹會減慢或者保持不變。這是合理的。如果宇宙爆發了，而引力在試圖把所有東西都拉回來，那就只有兩種可能，要么引力勝利，所有東西被拉了回來，要么它失敗，所有東西保持穩定的膨脹。

當科學家們展開測量和計算時，他們本以為引力會勝利。也就是說，他們以為自己會發現，相比近處的（較年輕的）恒星（也就是更晚出現的），遠處的（較古老的）恒星遠離我們的速度更快。讓他們感到迷惑的是，事情恰恰相反：比起過去，恒星現在遠離我們的速度更快。換句話說，宇宙的膨脹比以前更快了。

讓我們花一點時間來想想這個結果有多意外。天文學家想到了兩件事：第一，宇宙在很久以前爆發了；第二，引力在試圖把它重新拉回去。可是這里還有重要的第三件事，關乎空間本身。我們會在第7章詳細地討論這個問題。空間不是靜態的空幕布，供宇宙的劇場在上面演出。它可以彎曲（發生在大質量物體出現時），可以產生漣漪（引力波），還可以膨脹。它的確在膨脹，而且很快。空間在匆匆忙忙地變大。有什么東西在產生更多空間，把宇宙中所有的東西向外推。

我們應該注意到的是，實際結果顯示宇宙膨脹在開始的時候的確減慢過，但是在最近的50億年中，有些東西在促使宇宙中的事物越來越快地相互遠離。

這個使宇宙加速膨脹的驅動力就是物理學家所說的暗能量。我們看不見它（所以它“暗”），它把所有的東西都向外推開（所以它是“能量”）。它是宇宙的主要力量，差不多代表了宇宙中所有物質和能量的68%。