157 物理教育學刊
2011, 第十二卷第二期, 157-174
Chinese Physics Education 2011, 12(2), 157-174
2011 年諾貝爾物理獎介紹
宇宙加速膨脹、變冷
洪連輝 國立彰化師範大學 物理系 2011 年諾貝爾物理獎由美國索歐．珀爾 馬特（Saul Perlmutter，52 歲）、美裔澳籍布 萊恩．施密特（Brian Schmidt，44 歲）與美 國亞當．瑞斯（Adam Riess，42 歲）三位天 文物理學家共享此份榮耀，原因是他們藉由 觀察遙遠超新星，研究爆炸中的恆星，得知 宇宙正加速膨脹、變冷，共同獲得1 千萬瑞 典克朗（約150 萬美元）獎金，而波麥特獨 得一半獎金，另外兩位科學家則合得另一半。 在皇家科學院頌詞：「近一世紀來，已知 宇宙膨脹是因為約 140 億年前大爆炸的結 果。能發現此一膨脹正加速進行，實令人震 驚。如果膨脹持續加速，宇宙最後會冰封。」 1998 有兩個研究團隊彼此相互較勁，設 法找到最遙遠的超新星，想了解整個宇宙的 面貌，分別得到類似的研究結果。一個研究 團隊是由美籍科學家珀爾馬特主持，他是加 州大學柏克萊國家實驗室負責「超新星宇宙 學計畫(The Supernova Cosmology Project)」的主持人，計畫從1988 就已開始；另一個研
究團隊是由施密特領導的團隊，而瑞斯也是
其團隊成員之一，從1994 年底展開「高紅移
超新星搜尋團隊」計畫，施密特是美裔澳籍 天文學家，他是澳洲國立大學領導「高紅移 超 新 星 搜 尋 團 隊(The High-z Supernova Search Team)」成員之一，瑞斯 42 歲是美籍 天文學家，他是霍普金斯大學天文學教授， 也是巴爾得摩太空望遠鏡科學研究院的成員 之一。 所謂超新星，即太空中爆炸的恆星。科 學家透過量測這些超新星和我們之間的距 離，以及它們遠離地球的速度，進一步窺探 宇宙最終的命運。有人說世界將毀於火焰， 也有人說世界將毀於冰寒。如果我們的宇宙 是開放宇宙（an open Universe），那代表宇 宙中物質具備的重力不夠大，無法阻止宇宙 膨脹，因此宇宙會變得越來越大，宇宙中的 物質會日漸稀釋，越來越空曠冰冷；而另一 方 面 ， 如 果 宇 宙 是 封 閉 宇 宙 （a closed Universe），那代表宇宙中含有夠強的重力， 足以阻止甚至逆轉宇宙的膨脹，如此宇宙最 後將會停止擴張並往回縮，最後宇宙會走向 一個炙熱狂暴的終點，這也就是所謂的「大 崩墜」（Big Crunch），有不少的科學家相 信：宇宙於140 億年前大爆炸後是減速膨脹 的，而且宇宙最後將走入大崩墜時期。但也 有非常多的天文學家相信所謂的「平坦宇宙」
（a flat Universe），這個宇宙觀比較簡單，
科技報導
158 可以用漂亮的數學公式佐證，平坦宇宙的擴 張會日趨緩和，因此宇宙將不會毀於火焰， 也不會滅於冰寒。 這三位科學家的研究結論都是透過測量 遙遠超新星所得來的。科學家為了找到適合 的超新星，接著測量得知超新星的紅移及亮 度，然後配合長期分析所得到的光變曲線 （light curve）數據，如此才能和其他已知距 離的同類超新星做比較。1990 年代後電腦科 技與太空望遠鏡的發展技術日益精進，以及 數位影像偵測裝置 CCD 的發明，使得天文 學家能觀測到更遠的星系。天文學家發現一 種特殊的爆炸恆星──Ia 超新星（Type Ia supernova），單單一顆 Ia 超新星，就能發出 和整個星系一樣強的光線，亮度可維持數 週，因此將Ia 超新星可以作為「標準燭光」。 此一超新星的形成是由兩顆星互繞旋轉，其 中白矮星的強大重力會把伴星的物質吸引過 來，當累積的質量超過臨界值時，這顆白矮 星便會產生超新星爆發。所有Ia 型超新星爆 發時光度都會達到相似的極大值，所以觀察 這類星體爆發，便可推斷該星體所處的星系 與我們的距離。 由於 Ia 超新星所發出的最大亮度差不 多一致，因此很適合作為「標準燭光」，用來 測量宇宙中極遙遠的距離；於是這兩個團隊 利用標準燭光持續觀測遙遠星系與我們之間 的距離。他們共找到50 個遙遠的超新星的數 據，但每一個超新星的亮度都比預估的還 低，這和他們原先想像的不同，假設宇宙膨 脹的速度趨緩，那麼超新星的亮度應該比較 亮才對，因此他們分析出宇宙正加速膨脹， 那麼宇宙將在酷寒中結束。 那宇宙為何會加速膨脹呢？科學家認為 這 個 膨 脹 力 量 是 宇 宙 的 暗 能 量 （dark energy）。暗能量是看不見的，暗能量一開始 只是宇宙一小部分，但隨著物質被稀釋，暗 能量已構成宇宙絕大部分，超過 7 成的宇 宙，這個概念仍是物理學界的謎團。暗能量 可能會隨著時間改變，宇宙存在一個暗能量 的未知力場，提供「反重力」，物理學家把這 個力場歸在「第五元素」（quintessence）。第 五元素能使宇宙加速擴張，但只偶爾才會作 用。但如此看來，我們將永遠無法預測宇宙 的命運。 1915 年愛因斯坦發表了廣義相對論，一 直是科學家們理解宇宙的基礎。按照廣義相 對論，宇宙只能收縮或者膨脹，不可能穩定 不變。後來愛因斯坦為了避免得到宇宙正在 膨脹的解，因此在方程式中加進一個常數， 他 稱 之 為 「 宇 宙 常 數 」（cosmological constant），這個常數不會隨著時間改變，後 來他聲稱這是一個大錯誤。但今年獲得諾貝 爾物理學獎的1998 宇宙學觀測，宇宙並非靜 態的，宇宙常數的存在反倒解釋了宇宙加速 膨脹的現象。因此，2011 年諾貝爾物理學獎 得獎主的發現，讓我們了解宇宙的未來，但 宇宙的命運如何發展，就要等待億萬年後才 能有答案。
