诺奖对话Adam Riess（一）：宇宙膨胀不断加速，不只有暗物质在作祟

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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：我们开始吧，亲爱的里斯教授，非常高兴见到您！您和珀尔马特教授以及施密特教授获得诺贝尔奖是因为发现宇宙的加速膨胀，但很多人可能首先还不知道，宇宙在膨胀，因此您打算如何向公众介绍这个宇宙学的基础知识？

亚当·里斯：好的，这是个好问题。我想，对大多数人来说，他们的生活都如你所知，落脚在这里，在地球上。而一件惊人的事是，抬头仰望星空开始意识到，就像古人做的那样：哇，外面有许多东西，我想知道那是什么，我想知道那些光是什么，我想知道这一切都意味着什么，因此像我一样的宇宙学家对此很感兴趣。我们会通过望远镜观察遥远的恒星和星系，慢慢地我们建立了一种对宇宙的理解，就好比你是一只蚂蚁，生活在一个蚁丘上，或许你会好奇遥远的大山，尽管你可能永远都无法抵达那里，但你会试着编造，如你所知，关于远山的故事，最终是关于远山的理论，然后你再去验证那些理论，你还会向其他蚂蚁解释远山是什么。

袁岚峰：是的，所以我们是有智慧的蚂蚁。

亚当·里斯：我们是有智慧的蚂蚁，没错。我们知道自己永远都无法抵达远山，但我们对远山却十分好奇，因此逐渐建立了对它的理解。当然，与蚂蚁相比，我们还有一个巨大优势，那就是我们有望远镜，蚂蚁没有望远镜。望远镜真的给了我们眺望远方的能力，我们已经使用望远镜几百年了。现在我们知道，宇宙之中还有其他的星系，它们就像我们自己的星系，而且它们正在远离我们。在一百多年前，我们知道了这是因为宇宙在膨胀，这是一个非凡的发现。然后，我的同事和我在1990年代发现，不仅宇宙在膨胀，而且它还在膨胀得越来越快。当然，为什么会这样对我们是一个巨大的谜团。

袁岚峰：是的，因此第二个问题是，了解了宇宙在膨胀之后，人们就非常关心宇宙的最终命运。20多年前，我还在上学时经常在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，致使宇宙从膨胀转为收缩，最终宇宙将收缩成一个点；另一种是引力不够强，使得宇宙膨胀只是减速，但永远不会转为收缩，于是宇宙就会永远膨胀下去。您在学校时就被这个问题迷住了，对吧？您决定投身于此，去测量宇宙膨胀速度的变化，这非常了不起。但对公众而言，真正的问题是，究竟如何去测呢？

亚当·里斯：是的，你知道这是个了不起的问题。表面上看，似乎我们永远都无法理解或者弄清楚这件事，但物理学的神奇之处在于，物理法则既适用于地球也适用于地外空间，如果我们在地球上向空中扔一个球，然后提出问题，这个球会掉下来吗？或者我扔的力量足够大，使得它脱离地球引力永远飞出去，因此在物理学中，我们有一个概念叫做逃逸速度，任何建造过火箭的人都能理解，火箭的发射速度必须达到逃逸速度，因为地球的引力会把火箭向下拉。

袁岚峰：是的，对地球来说，有三种逃逸速度，对吗？第一种，绕地球飞行；第二种，飞出地球；第三种，飞出太阳系，对吗？

亚当·里斯：是的，我们的问题是宇宙在膨胀就像火箭在发射，而宇宙有质量，就像地球一样，它把宇宙往回拉，因此问题在于宇宙膨胀的速度是否足够快，能够脱离宇宙全部质量的万有引力？或者落回来就像火箭没有达到足够快的发射速度一样，那么如何回答这一问题呢，你可能会好奇。

袁岚峰：所以它就像宇宙自身的逃逸速度，对吧？

亚当·里斯：对对对。如果你想掌握火箭的情况，你能做的最好的事就是观察火箭并测量火箭的速度，然后说，如果火箭运动得足够快，如果它没有被往回拉得足够多，它就会逃逸出去，这样我们就可以研究我们称之为火箭的轨迹的东西，而那个轨迹就会告诉我们答案，因此我们研究了宇宙的轨迹。

那么如何做到这一点呢？我们可以研究宇宙中的物体。在我们的情况中，它就是爆炸的恒星，叫做超新星。你或许会问，对于火箭，我们能看到它随时间的移动轨迹，但我们怎样看到宇宙的轨迹呢？这正是宇宙的神奇之处。它太大了以至于当我们向外看时，我们其实是在沿着时间往回看，因此通过向外看，通过沿着时间往回看，我们就能看到宇宙曾经的轨迹。将过去与现在的宇宙轨迹进行对比，我们看到，哇，它并没有变慢很多，它就像火箭正在加速，它正在走得越来越快，它必然会脱离万有引力的牵拉。但为什么宇宙的膨胀速度会越来越快？

袁岚峰：是的，很神奇。我了解过您的经历，在我看来，你们能做这件事可归功于许多因素，例如您对算法的改进和超新星观测数据的积累。因此最终，在1998年1月，您第一次得出结论：宇宙膨胀正在加速，而不是减速。那么这个结果是怎样表现出来的呢？当时您是什么感觉？震惊，喜悦还是怀疑？

亚当·里斯：是的，这是一个很棒的问题，我也会经常回忆那个瞬间。坦白地说，如你所知，当你是一名年轻的科学家，你做工作，你会不可避免地犯很多错误，因为这项工作很难，你计算时会出错，用电脑编程时会出错，你也会发现这些错误，所以当你看到某种结果不符合预期时，你的第一个想法就是，我刚才犯了个错。然后如你所知，你的第二个想法是，我犯了个错。你的第三个想法还是，我犯了个错。然后，你继续深入研究它，你跟你的同事合作，你跟他们说，你们能不能检查这个？你们能不能检查那个？只有在经历了大量这种过程后，你才会想到，或许这是对的，或许这是真的，因此我记得的是长时间的怀疑，逐渐为这种理论开辟了可能性。在经过来自我的同事以及此后整个学界的许多检查之后，也就是有人在做其他实验得出了相同的结果，只有经过很长的确认过程，科学家才会建立起对一个新理论的信心，尤其是当这种理论令人惊讶时。

袁岚峰：是的，例如珀尔马特教授团队的研究成果。

亚当·里斯：正是，正是。当我发现他们也得出了同样的结论，我的感觉就像是震惊，然后是兴奋。哇！也许这是真的。

袁岚峰：是的，其实这让我想起了我有一个朋友，葛健教授，您知道他吗？

亚当·里斯：知道。

袁岚峰：葛健教授之前在佛罗里达大学任教，去年回到中国，他说在1992年，当他还是一名研究生时，他发现了宇宙加速膨胀的一些证据。

亚当·里斯：这很有趣，如你所知，几乎每次有一个发现时，如果你回头去看，总能看到很多次迹象，人们可能已经看到了这些迹象，但忽略了或者证据不充分，不足以做出断言，因此他们可能会说，我不知道，如你所知。我们说它是2西格玛，这意味着有可观的可能，它只是一个我们所说的坏运气。因此证据必须达到一定的程度后，人们才会说：嘿，我想我看到了一些东西。这时当你回顾整个历程时会发现，原来我们当时都发现了点什么。

袁岚峰：是的，因此很可惜。他的研究组当时没有注意这一点也没有发表论文（他们的论文在1995年发表，但没有深入分析，也没有引起注意），但在你们的发现之后，他们发现，哦，原来我们早就看到了。

亚当·里斯：是的，我对此很着迷，我对发现的历史着迷以及事先存在的线索。如你所知，我们能否更早地注意到那些线索？或者这就是太难了？因为如你所知，这也是有可能的。似乎每个重大发现都有类似你的那个教授朋友的情况发生。但还有另一个版本的故事，那就是有人看到了些什么，但最终却发现不对，因此他们就会觉得，我不应该下断言，除非证据非常强，有很大的可能我是错的。你知道，没人想犯错。

袁岚峰：是的，我读过您的诺贝尔奖获奖致辞文稿，其中有很多故事关于您和同事的邮件讨论，他们对这个发现有各种不同的态度，这非常好玩。

亚当·里斯：哦，有的，许多同事都认为这是错的，我能理解他们，因为大多数情况下，这是正确的反应。如果你要宣称某种东西，它是出乎人们预料的，那么你的证据必须非常扎实。

袁岚峰：谢谢！第四个问题是，在大家接受加速膨胀这个观测事实之后，下一个问题是，如何解释它？我听说对这一问题的标准解释叫做宇宙常数，它是爱因斯坦提出的，但爱因斯坦本人后来抛弃了这个想法，还说这是他一生最大的错误，所以在某种意义上，你们的贡献就是复活了宇宙常数。此外你们也把这种效应称为暗能量，并分析目前的宇宙组成是，5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量。许多人都听过暗物质和暗能量这两个词，但他们不知道这两个词是什么意思，也不知道它们有什么区别，他们唯一的感觉就是玄而又玄。所以，您能向公众介绍一下这些理论吗？

亚当·里斯：当然可以，我想我会说，设想你在一个关灯的房间，然后你在里面走来走去，然后你开始触摸房间里的东西，你会感觉到，哦，这里有一个大物件，这是这类的东西等等。你会努力去理解，即使你看不到那里有什么，但知道那里有东西，因为你能感觉到它们，对吗？所以，我们在宇宙中也是这样做的，我们到处摸索，研究那些发光物体的运动方式，它们在暗的东西的影响下的运动方式，这些暗的东西就在房间里，跟我们在一起，于是我们开始认识到存在一种看不见的引力源，它把物体们聚在一起，它就是我们所说的暗物质，但同时显然还有另一种东西，它在把宇宙中的物质拉开，如果我们观察不同的尺度，事情就像是这样，在靠近的时候，物质被暗物质聚集到一起，但当它们足够远离时，就会开始互相加快远离，这就是暗能量。我们并没有编造这个暗能量的思想，爱因斯坦在他的引力理论中意识到，暗能量的存在是可能的，如果你在一个房间里有能量，就会产生这种效应，使物质彼此远离。因此实际上我们是复活了一个爱因斯坦首先提出的想法，建议它可能是正确的。

如你所知，他犯错的唯一原因就是当时的天文学家告诉他宇宙并没有在膨胀，宇宙是固定的，而且他试图理解，这怎么可能，这怎么可能，我不理解，引力应该把物质聚集起来。然后他意识到，好吧，这两种东西作用在相反的方向上，所以或许它们可以相互平衡。但实际并非如此，因为宇宙并非静止不动，当我们看到我们看到的现象时，我们说，好吧，暗物质很有可能在小尺度下让物质聚集。但当我们的视野扩展到整个宇宙，爱因斯坦的那个想法就会让物质彼此远离，目前这仍然是我们最好的猜测。

袁岚峰：所以暗物质和暗能量的基本区别就是暗物质在小尺度发挥作用，而暗能量在大尺度发挥作用，对吗？

亚当·里斯：没错，而且它们的作用方向相反。

袁岚峰：是的，没错，这真是非常有趣。但我们至今尚不清楚，暗物质和暗能量到底是什么。

亚当·里斯：没错，这非常困难。因为这些东西作用于宇宙，但在较小的尺度上，例如地球，它们的作用非常小，因此很难在实验室做个实验找出暗物质和暗能量，因此我们的实验室其实是整个宇宙，我们只能观察它们对宇宙的影响，我们很难在实验室分离出暗物质或暗能量（中科大发布新成果！暗物质究竟是什么？| 科技袁人）。

袁岚峰：是的，其实我听说很多实验家，包括我的一些同事，在做实验来寻找暗物质。他们得到了各种各样的结果，但暗物质到底是什么，仍未有定论。他们测量的是物质和暗物质的相互作用强度低于某个阈值，这就是他们目前能做的最好的事。

亚当·里斯：是的。

袁岚峰：第五个问题是，除了暗能量和宇宙常数的标准解释之外，对宇宙加速膨胀有没有其他解释？如果有其他的解释，它们有多大的可信度呢？

亚当·里斯：是的，有一点重要的需要记住，因为我们对问题的答案并不确定，所以必须对其他理论保持开放心态，所以在宇宙常数之外的另一种可能，宇宙常数意味着这样的暗能量，它始终保持同样的值，它永远不变，一直是那样。

但另一种可能是，空间中存在某种场，就像我们熟悉的电场或磁场一样，那可能是另一种场，但是蕴含着某种能量，而正是这种能量暂时看起来像宇宙常数。但另一种可能是，我们没有正确的引力理论，也就是说爱因斯坦的引力理论不正确，在这种情况下，我们观察到的现象就可能是个假象，由于缺乏正确的引力理论而导致的假象，或许这种想法能给我们一些提示，几百年前也发生过类似的情况，牛顿认为他发现了正确的引力理论，然而后来开始出现微小的反常，有些观测结果并不符合他的引力理论，其中最著名的之一就是水星近日点进动。

袁岚峰：是的。

亚当·里斯：水星这个内层行星并没有精确按照预计的轨道运行，为什么呢，因为水星离太阳太近，那里的引力最强。而当引力很强时，爱因斯坦的相对论与牛顿的引力理论就出现不同了。所以在我们的情况中，或许是当引力作用于非常长的距离时，或许它看起来就会和爱因斯坦的引力理论不同，这种想法叫做修正的引力论……

袁岚峰：是的，没错，修正牛顿动力学（简称MOND，Modified Newtonian Dynamics）（一对竞争的科学理论：暗物质与修改引力理论 | 返朴）。

亚当·里斯：甚至有时有人会提到量子引力论，因为我们现在的量子理论无法解释引力，这些都是假设，人们尝试提出了很多具体假设，但我们要记住，有一点非常重要，那就是爱因斯坦的引力理论工作得非常好。在太阳系，在地球，在这么多地方我们都做过测试，如果没有爱因斯坦的引力理论，我们就无法使用手机或者无法使用让你精确定位你在哪里的GPS。

所以如果有人想提出一种新的引力理论，这很好，但它必须经得住考验，必须能精准定位你在地球上的位置，必须能精准定位你在地球上的位置，必须能完美解释卫星的运行轨道，它必须比爱因斯坦的引力理论更好，它必须能做到这一切而且还必须能解释其他现象，所以这是一个非常非常难处理的问题。

袁岚峰：是的，非常有趣。刚才您说有一种理论它的简写是MOND，对吗？修正牛顿动力学，我的一些同事也属于这一学派，尽管这一群体很小，但他们也会发出自己的声音。

亚当·里斯：是的，没错。我认为这种研究非常重要，有时候人们会提出各种不一样的设想，当爱因斯坦刚提出他的理论时，也是科学界的少数派，所以我们要持开放心态。目前，修正牛顿动力学的想法看起来似乎不是很优美，我会这么说部分原因是，这种理论涉及到太多的参数，如你所知，我可以在某种意义上拟合任何数据，如果你给我足够多的参数，但这种理论没有预测性，只是在连接数据点，对吧。它没有告诉我，怎样到达下一个点，因此我们要寻找更有解释力的理论，但我尊重那些研究修正牛顿动力学的人，因为我们要保持开放心态，或许他们正在得出某些我们不知道的东西（双十一销售额造假？学了统计学你就知道这有多滑稽了 | 袁岚峰）。

袁岚峰：是的，据我所知，在研究修正牛顿动力学的人们看来，暗物质并不存在，对吧？因为他们的出发点就是为了解释这种效应。您刚才提到量子理论，您是指弦论吗？还是其他类似的理论？

亚当·里斯：是的，弦论是一种可能的途径，尝试达到一种引力的量子理论，但我认为它目前还没有取得显著成功来做到这一点，或者解释这一点。但存在一些难题，当你开始处理量子问题时，你处理的是非常小的尺度，当你在研究爱因斯坦的引力理论时，它会演化到一种叫做奇点的状态，这些都是真正的数学问题，就像当你有一个分数，你有一个数除以某个东西，而分母却变成了零。每个人都能理解：哇！它爆炸成了无限。你可以说这只是数学概念，但宇宙中实际发生了什么，当这种除以零的事发生时，没人真正知道，这在某种程度上就是我们为什么没有量子引力论，因为这两种理论似乎并不兼容。

弦论试图解决这一难题，因为它对这些微小尺度上发生了什么有一种不同的解释，用弦来解释，但它还没有预测过任何具体的现象。因此我们经常会努力想知道，尽管它是一类漂亮的数学概念，但这真的是宇宙中发生的吗？因此我会说，我们还不知道。

袁岚峰：是的，因为要验证这种理论所需的能量，实在太高了。

亚当·里斯：是的。