诺奖对话Adam Riess（二）：世界毁于火还是冰？哈勃危机已悄然来袭｜袁岚峰

科学

2023-01-08 12:01

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■ 本文【诺奖对话X亚当·里斯】之二，系列一见：诺奖对话Adam Riess（一）：宇宙膨胀不断加速，不只有暗物质在作祟｜袁岚峰

精彩呈现：

我们的节目经常有跟著名科学家的对话。最近，世界顶尖科学家协会与今日头条帮我联系到了一位诺贝尔奖得主亚当·里斯（Adam G. Riess）。他和另外两位科学家索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）和布莱恩·施密特（Brian P. Schmidt），因为发现宇宙在加速膨胀获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

宇宙在加速膨胀是什么意思？这话的基础是宇宙在膨胀，这对很多人可能还觉得不可思议，但对科学界来说早已是一个常识。

是在一百年前，由哈勃等人的观测确定的把时间反演回去就可以推测出，宇宙开始于大约137亿年前的一场大爆炸。那时宇宙只有一个点，知道了宇宙在膨胀之后，人们就非常关心宇宙的结局。二十多年前，我上学的时候经常在科普书中看到这样的说法，宇宙可能的结局有两种，一种是物质之间的引力足够强，使得膨胀转为收缩，最后宇宙重新收缩成一个点；另一种是引力不够强，使得膨胀虽然减速但不转为收缩，宇宙无限地膨胀下去。究竟是哪种取决于宇宙中总的质量，目前还没有测量清楚。

然而现在大家再去看科普书，就会发现这个说法已经消失了。现在的标准说法是，宇宙的膨胀不是在减速而是在加速，这是一个完全出人意料的发现，压根不在最初的两种猜测之中。

事实上这三位诺贝尔奖得主刚开始观测时，目标是测量宇宙膨胀的减速，然而当观测结果收集到足够多时结论却变成了宇宙膨胀在加速，这让他们自己都非常震惊，怀疑自己做错了，直到反复确认确实是加速才发表出来，立刻就轰动全球科学界，被评为1998年最大的科学突破，这是一个惊人的例子，说明直到最近，人类仍然在不断发现宇宙的重大奥秘。我们随时都可能遭遇新的震撼，有人以为科学的发展已经停滞了，这是完全错误的。那么亚当·里斯等人是如何发现宇宙加速膨胀的？加速膨胀的原因是什么？宇宙的结局将通向何方？下面我们就来和亚当·里斯连线。

顺便说一句，亚当·里斯其实非常年轻，生于1969年，现在只有53岁，2011年获奖时只有42岁，但从这个典型的科学家外形就能一眼看出这是一位强者。

袁岚峰：第六个问题是，了解了加速膨胀以后，任何人都会对它的哲学意义充满好奇。在介绍您的诺贝尔奖演说时，诺贝尔委员会的伯杰·约翰逊教授引用了著名诗人罗伯特·弗罗斯特的诗《火与冰》：“有人说世界将毁灭于火，有人说世界将毁灭于冰。”然后他说根据你们的研究，毁灭于冰才是正确答案。这让我想起弗罗斯特的另一首名作《雪夜林边驻马》：“森林又暗又深真可羡，但是我已经有约在先，还要赶多少路才安眠，还要赶多少路才安眠。”这似乎是对宇宙和人类命运的一个隐喻：我们已经知道了宇宙的结局，但在此之前，我们还有自己的路要走。您对这些哲思是怎么看的？

亚当·里斯：是的，我认为诗歌非常擅长让我们享受事物的不确定性，但科学只想回答问题。很有趣，当我听到这些诗时，我在想：哦！我希望科学不要毁了诗歌。但这是一个很好的问题，比如第二首诗：“我们还有路程要走，在我们能够理解这一切之前。”我猜我想说的是，我们有时能在科学中达到答案，但我们经常会通过我们的回答引出新的问题。如果要我做个类比的话，就会像这样，科学需求答案的历程，或许会不断进步，就像诗歌一样，尽管一路上我们确实收集到一些有意义的回答。

袁岚峰：是的。这让我想起很多科学家都思考过：我们要如何生活在一个永远膨胀的世界。例如维尔泽克，例如弗里曼·戴森。您对此有没有想法？我们如何生活在这样一个世界。

亚当·里斯：是的，宇宙的非凡之处在于，我不得不说，那就是它根本不在乎我们。宇宙是如此浩瀚，星系之间的距离是如此遥远，人类对宇宙的影响可以说是微乎其微。这就好像，我相信在中国有类似这样的说法：一颗巨大的树，有时候会有小小的藤蔓或类似的东西寄生在上面，而巨树不会在乎藤蔓，但藤蔓，如你所知，需要巨树才能生存一样。所以，如你所知，我们身在宇宙当中，但正如我刚才说的，宇宙并不在乎我们，不过这是正常的。

袁岚峰：好的，好的。第七个问题，这个问题我很感兴趣，宇宙的膨胀是在什么时候从减速转为加速的？据我的一个天文学家朋友估计，大约在大爆炸后100亿年，即距今约37亿年前，这个计算正确吗？

亚当·里斯：是的。我的意思是，这在某种程度上取决于我们称之为宇宙参数的那些数的精确值。但如你所知，这些参数还存在一定的不确定性，所以我可以粗略地说，大约是在40亿到50亿年前，而且存在一些不确定性。因为如果你想实证地回答这个问题，你就必须进行观测，而我们的观测还没有好到足以精确地确认这个时间。但我们也可以用理论计算，也就是说，利用我们目前理解的宇宙参数预测何时发生转变，你在某种程度上可以预测这个转变发生在何时，然后我们可以更精确地进行计算。但这也取决于我们是否拥有正确的模型，如果没有正确的模型，那么偏差仍然会很大。所以考虑这个问题很有趣，但也要理解在抵达这个临界点时不会发生任何事件，宇宙一直在膨胀，之前是在减速，如果我们能测量到临界点，你就会说：哦，现在开始加速了！但我们要过了那个临界点之后一点时间才会注意到它改变了。

袁岚峰：是的，非常有趣。因为在我看来，无论这个临界点是在什么时候，在那个时候，基本上地球已经形成了，而且可能生命已经在地球上出现了，所以对这些古生命而言，它们没有注意到任何变化，但宇宙本身已经跨过了那个质变的临界点。

亚当·里斯：没错。

袁岚峰：自此宇宙就走向无限的虚空，再也不回头。但地球上的生命没有注意到任何变化。

亚当·里斯：没错。有一件事困扰着很多宇宙学家，那就是宇宙学中存在一些巧合。

袁岚峰：哦，是吗？

亚当·里斯：是的。

袁岚峰：正是跟地球上出现生命的巧合吗？

亚当·里斯：这个问题更像是这样，为什么这段时间，当暗物质和暗能量在强度上可比时，这段时间发生在地球形成时附近。因为如果你思考一下目前我们理解的宇宙图景，整个宇宙会一直膨胀下去，持续千百亿年。你不禁会思索：宇宙在大多数时间里会是什么样的？大多数时间里宇宙都在加速膨胀，像现在这样，事实上，如果我们从永恒的角度看，这就是有点奇怪的事，地球刚好出现在这件有趣的事发生时附近，而宇宙大多数时间里都不会发生任何事，这种巧合让人们感到困扰。他们想，为什么会这样？我对此确实没有一个好的答案，如你所知，奇怪的是时间尺度，宇宙的年龄与地球的年龄并没有那么的不同，确实存在差异。但因子只是……3或者诸如此类，而不是1000或者100万或诸如此类。这就有点像说宇宙比地球要大何止数万亿倍，但它们的年龄差距却在数量级为1的范围内。

袁岚峰：是的。

亚当·里斯：这是另一种描述巧合的方法，这就是所谓巧合问题。

袁岚峰：我读过一些宇宙学的书籍，我学到的是，在普通物质、暗物质和暗能量之间有一个根本差异，这个区别是：暗能量总是在那里，它永不衰减，对吧，它总是同样的数值，无论宇宙膨胀到多大；然而普通物质和暗物质的密度却会随着宇宙膨胀而减低，对吧。所以随着时间推移，暗能量的占比就会越来越大，所以最后，我们几乎就只剩下了暗能量。

亚当·里斯：是的，没错。随着宇宙膨胀，宇宙中的物质总量保持不变，物质会逐渐被宇宙膨胀所稀释，它的效应会减小。这就像，如你所知，你有一杯水，上面有一些鹅卵石或者某些东西，如果你倒进越来越多的水，鹅卵石还是原来的鹅卵石，所以它们被稀释了。但水就像暗能量，变得越来越多，因此只要等的时间足够长，它就会像一片汪洋大海，里面只有几个小鹅卵石，它们对大海就不再产生作用；它们会有强得多的作用，当水只有一小杯的时候。

袁岚峰：是的，因此看起来有趣的事只能在这样的时间发生，即物质的比例与暗能量的比例相当的时候，此后就再也不会发生有趣的事了。

亚当·里斯：正是，正是。

袁岚峰：非常有趣，谢谢！下一个问题是：您在获得诺贝尔奖后，主要目标就是精确测量哈勃常数。您能否向公众介绍一下什么是哈勃常数，为什么精确测量这个常数如此重要？

亚当·里斯：好的。我们知道宇宙在膨胀，但还有个问题是宇宙究竟是在什么样的速度在膨胀？这个数值就叫做哈勃常数。听起来有点滑稽的是，尽管我们称其为常数，但实际它是随着时间而变化的。因此当我们说到哈勃常数时，我们指的是它目前的取值。因此我们所说的哈勃常数，就是此时此刻宇宙的膨胀速度，因此这个数值总是不太好理解，但我们发现理解它很重要，因为现在我们对宇宙有了一定理解。有一些预测认为，哈勃常数应该是基于宇宙在刚刚发生大爆炸后看起来是什么样子，因为我们能够很好地观测它在宇宙微波背景辐射中，然后我们有了一个关于宇宙的理论，它如何随着时间而变化，所以如果你有一个很好的测量，就像火箭发射一样，当它刚发射时你精确地测量它而且你对火箭飞行的轨迹有理解，那么你就应该能理解火箭此后在经过某个地方时的速度，所以现在我们要测量我们的火箭现在的飞行速度。我们想比较这些速度，然后说，我们是否了解了宇宙膨胀的整个故事。

袁岚峰：我听说，近年来科学家们发现用不同方法测量出的哈勃常数值有显著差别，这被称为哈勃危机。您对此怎么看？这会成为真正的危机，还是机遇，抑或是虚惊一场？

亚当·里斯：好的，这件事我研究了快十年了，令人着迷，也十分有趣。我之前说过，我们想检验我们对宇宙的理解，通过测量哈勃常数，并把它与预测对比，它们目前不吻合，而且是相当的不吻合（https://wangshaojiang.com/2021/05/08/hubbletension/），所以我们已经研究这些测量快十年了。这次对话刚开始时我就说过，每当你发现某个东西与另一个东西出现矛盾时，你必须要花大量时间去研究如何测量，但我们正在接近这样一个要点，即我们在测量方面找不出任何问题，许多不同的测量方法都对我们显示出这一点。所以我们在接近这样的可能性，即我们并不理解宇宙的模型。同时我们在思考，可能存在我们未知的其他某种因素，当然这可能非常令人兴奋。因为这正是宇宙学家的工作，他们进行准确的测量，为了了解宇宙所以我们需要密切注意，当不同的测量互相不符合时。