星光可做量天尺，欲向太空探虚实。  

爆焰音书明暗藏，秘传宇宙胀声疾。

上回说到，彭齐亚斯和威尔逊无意中捕捉到大爆炸的余晖，证明宇宙确实有一个滚烫的起点。可那个信号太微弱了，用它推算出的宇宙年龄误差还很大——一百亿到两百亿年之间，像一条又宽又深的河，两边的堤岸都看不清楚。

要缩窄这个误差，需要一把更亮、更精确的尺子。

一、

1997年，智利，拉斯坎帕纳斯天文台。

一个叫布莱恩·施密特的年轻人把眼睛贴在望远镜的目镜上，正在寻找一类极其特殊的天体——Ia型超新星。那种超新星是一种双星系统，由主星白矮星和一个伴星构成。伴星可能是主序星、红巨星或白矮星。伴星绕主星转动，距离越来越近。到达到洛希极限后，伴星的物质就会被吸积到主星上，使主星的质量进一步增加。当主星的质量达到临界质量时，便会发生威力无比的热核爆炸。Ia型超新星的爆炸机制高度一致，峰值亮度几乎相同，像同一批出厂的闪光弹。正因为亮度整齐，它们成了宇宙中可靠的标准烛光。只要知道它们看起来有多亮，就能推算出它们距离地球有多远。

图 17.1: Ia 超新星爆发示意图。

施密特领导着一个名为“高红移超新星搜索团队”的国际合作项目。他们已经在天上划出了一片固定的天区，每隔几周就对准同一个方向拍一张深空照片，然后把新拍的照片和旧照片叠在一起比对，找出那些突然亮起来的光点。那是超新星爆发特有的信号——一颗恒星在几天到几周内亮度猛增数十亿倍，然后缓缓暗淡下去。

某天夜里，施密特坐在控制室里，手里是一叠刚冲洗出来的底片。他用放大镜把新旧两张底片对齐，看到了一颗以前不存在的星点。它的亮度比周围的星系暗得多，像沙漠深处一盏极远的灯。施密特在记录表上写下它的坐标，标上“候选”，然后继续比对下一张。

那颗光点只是他后来发现的几十颗超新星中普通的一颗。但他和团队的预期是明确的：他们的初衷是想测出宇宙膨胀在减速——引力会把所有东西往回拉，就像抛出去的苹果迟早会变慢、下落。

他期待看到那些遥远的超新星比均匀膨胀模型预期的更亮——因为减速会让它们离我们没那么远。

二、

同一时期，另一个团队也在做同样的事。领导者叫索尔·珀尔马特，他们叫“超新星宇宙学项目”。两队路线不同，用的望远镜不同，筛选方法不同，但目标一致：测量宇宙膨胀的减速程度。

两个团队都在收集数据。越来越多的Ia型超新星被观测到，距离覆盖越来越远——从十几亿光年到几十亿光年，再推到近百亿光年外。数据积累了好几年，底片装满了几十个纸箱。那些纸箱堆在办公室里、走廊里，顶到天花板，边缘折出磨损的白印，像一堵用旧数据砌成的墙。

图 17.2: 利用超新星作为标准烛光测距的原理示意图。

珀尔马特团队先看到了结果。他们把所有数据点画在一张图上，横轴是距离，纵轴是亮度。那些超新星的数据点落在一条向上倾斜的趋势线上。但那条线没有按设想的方向拐弯——反而往另一个方向偏了。

尽管偏离不大，但却大到无法忽略。珀尔马特以为哪里算错了。他换了一种统计方法，再做一次，结果一样。他让另一个团队成员独立验算了一遍，结果还是一样。他不得不承认一个他自己也不愿接受的事实：那些超新星比预期的更暗——意味着它们比预期的更远。远到只有一种解释能匹配——宇宙膨胀没有减速，它反而在加速。

三、

1998年年初，珀尔马特团队在内部讨论时初步得出了这个结论。会议室里只有七八个人，数据纸铺了满桌。一个成员念完最后一组数字后，房间安静了几秒。珀尔马特靠着椅背，手里转着一支笔。

有人问：“会不会是尘埃挡了一部分光？”

“我们做了消光修正，覆盖了不同波段，尘埃的影响不足以解释这么大偏移。”

“会不会是超新星本身的亮度就有差异？”

“样本量够大，差异会被平均掉，系统偏差不会全部指向同一个方向。”

“那，有没有其他可能性？”

珀尔马特没有立刻回答。他把笔放下，抬头看了看窗外。窗外是加州午后的阳光，亮得刺眼，照在对面的白色墙面上几乎看不清边缘。他沉默了一会儿，然后说：“有，但我们都不太想提。”

“什么？”

“宇宙在加速膨胀。”

没人接话。过了一会儿，有人轻轻笑了一声，不是高兴，是那种发现一个你无法推翻的结论时、又惊又无奈的笑。

四、

施密特团队比珀尔马特晚了一两个月得出同样的结论。他们的数据点更多，覆盖的样本更均匀。当施密特第一次看到那条往上翘的曲线时，他以为自己把红移和距离的换算关系搞反了。

他回到电脑前重新输入参数、重跑程序，花了好几天把整个分析流程复查了一遍。每一步都没错。他让自己的博士生也做了一次独立的分析——结果相同。所有系统误差都被逐个排除。

他给团队写了一封邮件，措辞谨慎：“我们可能看到了一个有趣的现象。建议下次会议仔细讨论。”

会议在某天晚上进行，通过越洋电话线。施密特把幻灯片投影在墙上，箭头指向那条向上弯曲的趋势线。他讲完之后，有几分钟没有人说话。电话那头传来电流声和偶尔的键盘敲击声。然后有人开口了：“你是说，宇宙在变快？”

“目前的数据指向这个方向。”

“这不可能。除非有什么东西在往外推。”

“是的。”

那种东西，后来被叫做暗能量。

五、

暗能量是什么？没有人知道。

当时只知道它有几种性质：占据宇宙总能量密度的约百分之七十；均匀分布，有负压强。在宇宙早期，它的影响微乎其微；随着宇宙膨胀、物质密度降低，它的作用逐渐占据了主导。大约在五十亿年前，它开始超过引力的影响，让宇宙膨胀从减速转为加速。

图 17.3: 宇宙的密度分布示意图。

这是物理学家们当时能写下来的全部内容。它的本质、来源、是否会变化——全是空白。

两个团队在1998年年底同时发表了他们的结果。一篇署着珀尔马特团队的名字，另一篇署着施密特和亚当·里斯团队的名字。两篇论文相邻，结论相同：宇宙膨胀在加速，这就要求暗能量必须存在。

看到他们的研究论文，许多同行最初的反应是怀疑。他们认为超新星数据存在未被发现的系统误差，有人提出或许遥远的超新星因为某种未知的原因本身变暗了，也有人直接说“我不信”。但后续的独立观测——用不同方法测量宇宙膨胀历史——不断重复着同一个结果。数据积累越来越多，误差线越来越短，那个向上弯曲的趋势不再能被解释成任何其他现象。

2011年，珀尔马特、施密特和里斯共同获得诺贝尔物理学奖。颁奖词写得很短：“因发现宇宙加速膨胀。”

六、

加速膨胀的发现对宇宙年龄的计算有直接影响。原来那种只考虑引力的减速模型，推回去的起点时间偏短。现在加入了一个加速的阶段，宇宙的年龄被拉长了——从原来估算的大约一百二十亿年被推到了一百三十多亿年。

这个修正使宇宙年龄与球状星团的测龄结果更接近了。两种完全不同的方法，指向同一个数量级。误差还在，但范围已经缩窄了很多。像两艘在不同航线上走了很久的船，最终在海平线的同一处交汇——方向不同，但目的地是一样的。

图 17.4: 宇宙膨胀历史示意图。

进一步的研究表明，暗能量占宇宙总质量的百分之七十。人类对它的了解，至今仍是空白。它是什么？会不会变？它是宇宙的固有属性，还是某种不断演化的场？没有人知道答案。在未来的几十年里，它将是物理学最大的几个未解之谜题之一。

可有了暗能量的存在，宇宙膨胀的历史被修补完整了——从大爆炸之初的暴涨，到后来的减速，再到五十亿年前的重新加速，最终到今天这个仍在加速膨胀的状态。那张图终于可以被完整地画出来了，从宇宙诞生最初那一刻一直延伸到当前。

科学家给出的宇宙年龄，其后还用加减号跟着一个不小数字——一百三十七亿年正负若干。那个数字仍然揣着不确定性，像一行还没改到最后的潦草批注。要把它彻底消去，需要比超新星更精密的工具——一个从太空中凝视微波余晖的探测器，把那个三开尔文的嘶嘶声画成一幅图，读出它最细微的起伏。

那些起伏里藏着最终的数字密码。欲知科学家们如何破解这些密码，请看下回分解。

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