在宇宙大爆炸后的最初时刻，宇宙就以惊人的速度不断膨胀。但到底是什么驱动了宇宙的膨胀？对宇宙微波背景的测量和对其他天体物理现象的观测正在逐步缩小这种导致宇宙膨胀的可能原因。下面就具体来看这个问题。

27. 是什么推动了宇宙的膨胀？What drove cosmic inflation?

一. 为什么宇宙在膨胀？

宇宙就是我们人类生活的大环境，我们用眼睛、各类望远镜观测到这个环境的现象，决定了我们对宇宙的认识，而宇宙在膨胀的结论当然也来源于观测。

早在20世纪初的1912年到1917年期间，美国天文学家斯里弗在用望远镜观测遥远的旋涡星云光谱时有一个出乎意料的发现。他发现在他观测的15个遥远星系中，有13个星系似乎都在离开我们。然而斯里弗为什么会认为这些星系是在远离我们，而且他还告诉我们这些星系远离我们的速度（称为退行速度）平均每秒可以达到六千多公里。

图1 星系光谱红移所显示的星系退行速度

在这个结论里，有以下的一个原理需要解释。首先是你如何测量一个星系的退行速度，这里就要用到星系的光谱红移现象。遥远的星系能被观测，其发出的光就可以被观测者接收到，所以其光谱就能够被记录和分析。斯里弗正是利用光谱的红移来判断星系远离我们的速度。简单来说，对于一个运动的光源它所发射的某种频率的光是一定的，但由于光源移动，观测者接收到的光源的频率则依赖于光源的速度（物理上称为多普勒效应，高速路上警察测你车辆速度就是靠这个原理）。如果光源远离观测者，频率降低称为红移，如果光源靠近观测者，频率增加称为蓝移。斯里弗根据这么个原理比对了他所观察的星系发现大多数都是红移的，所以他得出结论就是星系都在远离我们。然而这个结论靠不靠谱，就要确认观测到的谱线红移是不是都是由多普勒效应产生，而引力场或其他因素造成的红移必须排除。目前的结论是：这种红移就是多普勒效应引起的。

图2 光谱的多普勒效应示意图

既然接受这个推论。那么在斯里弗观测的基础上，哈勃与助手赫马森合作，利用更先进的望远镜对遥远星系的红移进行了大量的测量工作。1929年他有了一个新的发现：星系与我们的距离越远，它的退行速度就越大。通过对20多个星系的统计分析，他发现星体的退行速度与距离竟然成正比，星系退行的速率与星系距离的比值竟然几乎是一常数。此规律被称为哈勃定律，而这个常数就是著名的哈勃常数。

图3 退行速度与星体距离的关系哈勃定律

然而新的问题来了，虽然天体的红移可以通过其光谱直接测量，但天体与我们之间的距离却很难测量。而天文学上常用的测距方法是通过测量天体的亮度（星等）来推测距离，主要的理念是星体越远其亮度越暗（这也是一个规律，可以在地球上验证）。比如我点燃一根蜡烛，它的绝对亮度已知（蜡烛的照度是多少个流明是客观值）。把蜡烛放到1米，测出亮度值，放到2米测出亮度值，等等，我们会可以发现亮度和距离成反比的规律。然后把蜡烛放到一个无法直接去测量的位置，再去测亮度，那么根据亮度比，我们就能确定要测量的蜡烛的距离。

所以在星体测距中首先要选取具有已知的绝对亮度的天体作为标准（称为“标准烛光”其距离也是已知的），然后将所测天体与标准亮度的星体进行比较，利用亮度进行估算。显然这个测量靠不靠谱，是无法判断的（每一个星体的自然照度是不同的，寿命也是不同的），但亮度法测出的距离可以和其他方法进行比较，或者不断通过观测进行修正并去除那些不可靠的估算，直到满意或认为接近真实值为止。

所以如果你承认了这个测量结果，那么哈勃定律就应该没有问题。那么根据哈勃定律，地球周围四面八方的星系似乎都在远离地球，而且距离越远退行的速度就越大。哈勃的这一发现震惊了世界，就连爱因斯坦看到这个结果，也不得不抛弃其静止宇宙的观念。为了纪念哈勃的贡献，1990年，美国国家航空航天局（NASA）将其发明的空间望远镜命名为“哈勃空间望远镜”。

既然承认哈勃的观察和结论没有漏洞，那么接下来的问题就是：如何解释这个现象？ 很显然，对哈勃定律的一个自然的解释就是宇宙在膨胀。宇宙膨胀是指宇宙在各处的尺度都在伸长，就如同一个吹起来的气球，你可以发现气球表面任何两个点的距离都在增加，而且增加的值和这两个点之间的距离成正比。所以宇宙膨胀完美解释了天体物理学家所看到的现象。后来经过其他天文学家的研究，有人正式提出了宇宙大爆炸理论，至于是谁第一个有这个想法可能很难有文献式的考证，现在暂且相信维基百科：现代宇宙大爆炸理论是在1932年由比利时牧师勒梅特首次提出的。1940年代，伽莫夫与他的两个学生拉尔夫.阿尔菲和罗伯特.赫尔曼一道，将相对论引入宇宙学，提出了热大爆炸宇宙学模型。大爆炸一词首先是由英国天文学家弗雷德.霍伊尔所采用。

如果大爆炸理论靠谱，那么在哈勃常数不变的情况下根据目前的宇宙的尺度进行反推，宇宙最后应该发源于一个奇点，而根据哈勃常数反推这个时间，那就是宇宙的年龄，大约为137亿年。

二. 宇宙到底是怎么膨胀？

既然宇宙在膨胀，那么跟随宇宙大爆炸理论之后一个最直接的问题就是宇宙它到底是怎样膨胀的？难道是一直这样膨胀下去，显然宇宙奇点一开始爆炸的膨胀不应该和现在的膨胀速度一样，而这样的膨胀要一直持续下去直到永远吗？

所以“宇宙大爆炸”虽然是目前科学理论最完善、观测证据最多的一个科学假说，但它依然无法回答宇宙观测中的所有问题，如宇宙奇点问题、视界问题、初始涨落问题、空间平坦度问题、重子不对称等问题，所以宇宙大爆炸只是一个对宇宙不成熟的想象和假说。

而为了解决这些问题，暴胀宇宙理论应运而生。1980年麻省理工学院(MIT)的科学家阿兰.固斯(Alan Guth)正式提出所谓的宇宙暴胀理论(Inflation theory)。该理论指出，早宇宙期10^-36  秒~10^-32 秒之间是以指数形式快速膨胀，称作“暴胀”，之后宇宙膨胀速率放缓，然后开始进入匀速膨胀直到今天。显然宇宙暴胀理论没有说未来如何，也无法说明暴胀期如何平稳结束，虽然解决了视界问题和空间平坦度问题，但无法说明物质在宇宙大尺度上是均匀分布的。

然而事情远没有宇宙暴胀理论想象的这么简单。早在天文学家利用亮度来测定星体距离的时候，他们发现了一个非常精确的 “标准烛光”，就是所谓的超新星。利用超新星，他们能够把宇宙的距离测得很精确，利用它甚至可以测量宇宙到底是平坦的还是弯曲的，是开放的还是闭合的这些宇宙尺度上的几何结构等等。所以超新星一直以来备受天文学家的关注。

图7 超新星爆发示意图

那什么是超新星呢？简单地说，超新星是一些恒星寿命结束时（白矮星）塌缩或吸积物质爆炸而产生的超常爆发，是宇宙中目前人类观察到的爆发规模最大的星体爆发现象，一颗超新星在几周或几个月内所释放的辐射能量可以相当于太阳在其一生中辐射的能量总和。所以在1960年代，天文学家就发现超新星爆炸的最大强度可以作为天文距离的“标准烛光”，用来准确测量天体的距离。那么超新星做为“标准烛光”测距的原理是什么呢？

简单来说，根据计算白矮星爆炸（Ia型超新星）应该有一个质量上限，称为钱德拉塞卡质量，大约是太阳质量的1.4倍，所以白矮星在发生超新星爆炸时质量都是差不多的，那么其爆炸时的本征亮度应该相等。这样，超新星就可以当作"标准烛光"来使用。那么根据观测到的一颗超新星的观测亮度，就可以推测它到地球的距离。而另一方面我们还可以通过观测超新星的光谱红移，得到通过光谱红移得到的距离，这两个距离应该是一致和对应的，事实上观测数据基本是一致的。然而数据所讲述的故事不总这么完美。

1998年，由美国、澳大利亚科学家Perlmutter, Schmidt和Riess等领导的两个研究小组，在超新星爆发的观测中都发现了一个现象，就是对于某些高红移的超新星来说，红移距离比光度距离要小得多，也就是这些超新星的亮度比预期的要暗得多。这种现象的出现在被排除了很多因素后不断测量最后基本被确定了下来，目前人们积累几百颗超新星的观测数据，数据经过更多天文学家用不同方法做了不同假设下的认真的分析，迄今并未发现大的问题。

那么如何去解释超新星爆发中观测的这种不一致，那么一种更为合理的解释就是这些数据表明宇宙正在加速膨胀。虽然去解释这种不一致还有其他很多种解释，但只有加速膨胀是所有假设中最符合观测数据的最简单的理论。由于这一项震惊世界的科学发现：宇宙正在加速膨胀， Perlmutter, Schmidt和Riess获得了2011年的诺贝尔物理学奖，这也算是对这项发现的最后肯定。

如果承认宇宙加速膨胀确实存在，那么我们最关心的第27个问题来了：到底是什么推动了宇宙的加速膨胀呢？目前主流的解释便是"暗能量"(dark energy)，由美国宇宙学家Mike Turner引入。暗能量是与普通物质的万有引力相对的"斥力"，从而导致了宇宙的加速膨胀。根据目前对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的分析和拟合表明（参见125个科学问题1），宇宙中暗能量约占75%，不发光的暗物质约占21%，其余才是4%左右的普通物质。

最后需要说明的是，以上的所有根据观测数据所做的推论，并非都是没有任何漏洞的，所以宇宙的膨胀、宇宙大爆炸以及暗物质的存在到现在都只是一种假说，所以这第27个问题依然没有最后给出确切的答案。