精彩呈現：

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我們的節目經常有跟著名科學家的對話。最近，世界頂尖科學家協會與今日頭條幫我聯系到了一位諾貝爾獎得主亞當·里斯（Adam G. Riess）。他和另外兩位科學家索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter）和布萊恩·施密特（Brian P. Schmidt），因為發現宇宙在加速膨脹獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。

宇宙在加速膨脹是什么意思？這話的基礎是宇宙在膨脹，這對很多人可能還覺得不可思議，但對科學界來說早已是一個常識。

是在一百年前，由哈勃等人的觀測確定的把時間反演回去就可以推測出，宇宙開始于大約137億年前的一場大爆炸。那時宇宙只有一個點，知道了宇宙在膨脹之后，人們就非常關心宇宙的結局。二十多年前，我上學的時候經常在科普書中看到這樣的說法，宇宙可能的結局有兩種，一種是物質之間的引力足夠強，使得膨脹轉為收縮，最后宇宙重新收縮成一個點；另一種是引力不夠強，使得膨脹雖然減速但不轉為收縮，宇宙無限地膨脹下去。究竟是哪種取決于宇宙中總的質量，目前還沒有測量清楚。

然而現在大家再去看科普書，就會發現這個說法已經消失了。現在的標準說法是，宇宙的膨脹不是在減速而是在加速，這是一個完全出人意料的發現，壓根不在最初的兩種猜測之中。

事實上這三位諾貝爾獎得主剛開始觀測時，目標是測量宇宙膨脹的減速，然而當觀測結果收集到足夠多時結論卻變成了宇宙膨脹在加速，這讓他們自己都非常震驚，懷疑自己做錯了，直到反復確認確實是加速才發表出來，立刻就轟動全球科學界，被評為1998年最大的科學突破，這是一個驚人的例子，說明直到最近，人類仍然在不斷發現宇宙的重大奧秘。我們隨時都可能遭遇新的震撼，有人以為科學的發展已經停滯了，這是完全錯誤的。那么亞當·里斯等人是如何發現宇宙加速膨脹的？加速膨脹的原因是什么？宇宙的結局將通向何方？下面我們就來和亞當·里斯連線。

順便說一句，亞當·里斯其實非常年輕，生于1969年，現在只有53歲，2011年獲獎時只有42歲，但從這個典型的科學家外形就能一眼看出這是一位強者。

袁嵐峰：我們開始吧，親愛的里斯教授，非常高興見到您！您和珀爾馬特教授以及施密特教授獲得諾貝爾獎是因為發現宇宙的加速膨脹，但很多人可能首先還不知道，宇宙在膨脹，因此您打算如何向公眾介紹這個宇宙學的基礎知識？

亞當·里斯：好的，這是個好問題。我想，對大多數人來說，他們的生活都如你所知，落腳在這里，在地球上。而一件驚人的事是，抬頭仰望星空開始意識到，就像古人做的那樣：哇，外面有許多東西，我想知道那是什么，我想知道那些光是什么，我想知道這一切都意味著什么，因此像我一樣的宇宙學家對此很感興趣。我們會通過望遠鏡觀察遙遠的恒星和星系，慢慢地我們建立了一種對宇宙的理解，就好比你是一只螞蟻，生活在一個蟻丘上，或許你會好奇遙遠的大山，盡管你可能永遠都無法抵達那里，但你會試著編造，如你所知，關于遠山的故事，最終是關于遠山的理論，然后你再去驗證那些理論，你還會向其他螞蟻解釋遠山是什么。

袁嵐峰：是的，所以我們是有智慧的螞蟻。

亞當·里斯：我們是有智慧的螞蟻，沒錯。我們知道自己永遠都無法抵達遠山，但我們對遠山卻十分好奇，因此逐漸建立了對它的理解。當然，與螞蟻相比，我們還有一個巨大優勢，那就是我們有望遠鏡，螞蟻沒有望遠鏡。望遠鏡真的給了我們眺望遠方的能力，我們已經使用望遠鏡幾百年了。現在我們知道，宇宙之中還有其他的星系，它們就像我們自己的星系，而且它們正在遠離我們。在一百多年前，我們知道了這是因為宇宙在膨脹，這是一個非凡的發現。然后，我的同事和我在1990年代發現，不僅宇宙在膨脹，而且它還在膨脹得越來越快。當然，為什么會這樣對我們是一個巨大的謎團。

袁嵐峰：是的，因此第二個問題是，了解了宇宙在膨脹之后，人們就非常關心宇宙的最終命運。20多年前，我還在上學時經常在書中看到這樣的說法，宇宙可能的結局有兩種。一種是物質之間的引力足夠強，致使宇宙從膨脹轉為收縮，最終宇宙將收縮成一個點；另一種是引力不夠強，使得宇宙膨脹只是減速，但永遠不會轉為收縮，于是宇宙就會永遠膨脹下去。您在學校時就被這個問題迷住了，對吧？您決定投身于此，去測量宇宙膨脹速度的變化，這非常了不起。但對公眾而言，真正的問題是，究竟如何去測呢？

亞當·里斯：是的，你知道這是個了不起的問題。表面上看，似乎我們永遠都無法理解或者弄清楚這件事，但物理學的神奇之處在于，物理法則既適用于地球也適用于地外空間，如果我們在地球上向空中扔一個球，然后提出問題，這個球會掉下來嗎？或者我扔的力量足夠大，使得它脫離地球引力永遠飛出去，因此在物理學中，我們有一個概念叫做逃逸速度，任何建造過火箭的人都能理解，火箭的發射速度必須達到逃逸速度，因為地球的引力會把火箭向下拉。

袁嵐峰：是的，對地球來說，有三種逃逸速度，對嗎？第一種，繞地球飛行；第二種，飛出地球；第三種，飛出太陽系，對嗎？

亞當·里斯：是的，我們的問題是宇宙在膨脹就像火箭在發射，而宇宙有質量，就像地球一樣，它把宇宙往回拉，因此問題在于宇宙膨脹的速度是否足夠快，能夠脫離宇宙全部質量的萬有引力？或者落回來就像火箭沒有達到足夠快的發射速度一樣，那么如何回答這一問題呢，你可能會好奇。

袁嵐峰：所以它就像宇宙自身的逃逸速度，對吧？

亞當·里斯：對對對。如果你想掌握火箭的情況，你能做的最好的事就是觀察火箭并測量火箭的速度，然后說，如果火箭運動得足夠快，如果它沒有被往回拉得足夠多，它就會逃逸出去，這樣我們就可以研究我們稱之為火箭的軌跡的東西，而那個軌跡就會告訴我們答案，因此我們研究了宇宙的軌跡。

那么如何做到這一點呢？我們可以研究宇宙中的物體。在我們的情況中，它就是爆炸的恒星，叫做超新星。你或許會問，對于火箭，我們能看到它隨時間的移動軌跡，但我們怎樣看到宇宙的軌跡呢？這正是宇宙的神奇之處。它太大了以至于當我們向外看時，我們其實是在沿著時間往回看，因此通過向外看，通過沿著時間往回看，我們就能看到宇宙曾經的軌跡。將過去與現在的宇宙軌跡進行對比，我們看到，哇，它并沒有變慢很多，它就像火箭正在加速，它正在走得越來越快，它必然會脫離萬有引力的牽拉。但為什么宇宙的膨脹速度會越來越快？

袁嵐峰：是的，很神奇。我了解過您的經歷，在我看來，你們能做這件事可歸功于許多因素，例如您對算法的改進和超新星觀測數據的積累。因此最終，在1998年1月，您第一次得出結論：宇宙膨脹正在加速，而不是減速。那么這個結果是怎樣表現出來的呢？當時您是什么感覺？震驚，喜悅還是懷疑？

亞當·里斯：是的，這是一個很棒的問題，我也會經常回憶那個瞬間。坦白地說，如你所知，當你是一名年輕的科學家，你做工作，你會不可避免地犯很多錯誤，因為這項工作很難，你計算時會出錯，用電腦編程時會出錯，你也會發現這些錯誤，所以當你看到某種結果不符合預期時，你的第一個想法就是，我剛才犯了個錯。然后如你所知，你的第二個想法是，我犯了個錯。你的第三個想法還是，我犯了個錯。然后，你繼續深入研究它，你跟你的同事合作，你跟他們說，你們能不能檢查這個？你們能不能檢查那個？只有在經歷了大量這種過程后，你才會想到，或許這是對的，或許這是真的，因此我記得的是長時間的懷疑，逐漸為這種理論開辟了可能性。在經過來自我的同事以及此后整個學界的許多檢查之后，也就是有人在做其他實驗得出了相同的結果，只有經過很長的確認過程，科學家才會建立起對一個新理論的信心，尤其是當這種理論令人驚訝時。

袁嵐峰：是的，例如珀爾馬特教授團隊的研究成果。

亞當·里斯：正是，正是。當我發現他們也得出了同樣的結論，我的感覺就像是震驚，然后是興奮。哇！也許這是真的。

袁嵐峰：是的，其實這讓我想起了我有一個朋友，葛健教授，您知道他嗎？

亞當·里斯：知道。

袁嵐峰：葛健教授之前在佛羅里達大學任教，去年回到中國，他說在1992年，當他還是一名研究生時，他發現了宇宙加速膨脹的一些證據。

亞當·里斯：這很有趣，如你所知，幾乎每次有一個發現時，如果你回頭去看，總能看到很多次跡象，人們可能已經看到了這些跡象，但忽略了或者證據不充分，不足以做出斷言，因此他們可能會說，我不知道，如你所知。我們說它是2西格瑪，這意味著有可觀的可能，它只是一個我們所說的壞運氣。因此證據必須達到一定的程度后，人們才會說：嘿，我想我看到了一些東西。這時當你回顧整個歷程時會發現，原來我們當時都發現了點什么。

袁嵐峰：是的，因此很可惜。他的研究組當時沒有注意這一點也沒有發表論文（他們的論文在1995年發表，但沒有深入分析，也沒有引起注意），但在你們的發現之后，他們發現，哦，原來我們早就看到了。

亞當·里斯：是的，我對此很著迷，我對發現的歷史著迷以及事先存在的線索。如你所知，我們能否更早地注意到那些線索？或者這就是太難了？因為如你所知，這也是有可能的。似乎每個重大發現都有類似你的那個教授朋友的情況發生。但還有另一個版本的故事，那就是有人看到了些什么，但最終卻發現不對，因此他們就會覺得，我不應該下斷言，除非證據非常強，有很大的可能我是錯的。你知道，沒人想犯錯。

袁嵐峰：是的，我讀過您的諾貝爾獎獲獎致辭文稿，其中有很多故事關于您和同事的郵件討論，他們對這個發現有各種不同的態度，這非常好玩。

亞當·里斯：哦，有的，許多同事都認為這是錯的，我能理解他們，因為大多數情況下，這是正確的反應。如果你要宣稱某種東西，它是出乎人們預料的，那么你的證據必須非常扎實。

袁嵐峰：謝謝！第四個問題是，在大家接受加速膨脹這個觀測事實之后，下一個問題是，如何解釋它？我聽說對這一問題的標準解釋叫做宇宙常數，它是愛因斯坦提出的，但愛因斯坦本人后來拋棄了這個想法，還說這是他一生最大的錯誤，所以在某種意義上，你們的貢獻就是復活了宇宙常數。此外你們也把這種效應稱為暗能量，并分析目前的宇宙組成是，5%的普通物質、27%的暗物質和68%的暗能量。許多人都聽過暗物質和暗能量這兩個詞，但他們不知道這兩個詞是什么意思，也不知道它們有什么區別，他們唯一的感覺就是玄而又玄。所以，您能向公眾介紹一下這些理論嗎？

亞當·里斯：當然可以，我想我會說，設想你在一個關燈的房間，然后你在里面走來走去，然后你開始觸摸房間里的東西，你會感覺到，哦，這里有一個大物件，這是這類的東西等等。你會努力去理解，即使你看不到那里有什么，但知道那里有東西，因為你能感覺到它們，對嗎？所以，我們在宇宙中也是這樣做的，我們到處摸索，研究那些發光物體的運動方式，它們在暗的東西的影響下的運動方式，這些暗的東西就在房間里，跟我們在一起，于是我們開始認識到存在一種看不見的引力源，它把物體們聚在一起，它就是我們所說的暗物質，但同時顯然還有另一種東西，它在把宇宙中的物質拉開，如果我們觀察不同的尺度，事情就像是這樣，在靠近的時候，物質被暗物質聚集到一起，但當它們足夠遠離時，就會開始互相加快遠離，這就是暗能量。我們并沒有編造這個暗能量的思想，愛因斯坦在他的引力理論中意識到，暗能量的存在是可能的，如果你在一個房間里有能量，就會產生這種效應，使物質彼此遠離。因此實際上我們是復活了一個愛因斯坦首先提出的想法，建議它可能是正確的。

如你所知，他犯錯的唯一原因就是當時的天文學家告訴他宇宙并沒有在膨脹，宇宙是固定的，而且他試圖理解，這怎么可能，這怎么可能，我不理解，引力應該把物質聚集起來。然后他意識到，好吧，這兩種東西作用在相反的方向上，所以或許它們可以相互平衡。但實際并非如此，因為宇宙并非靜止不動，當我們看到我們看到的現象時，我們說，好吧，暗物質很有可能在小尺度下讓物質聚集。但當我們的視野擴展到整個宇宙，愛因斯坦的那個想法就會讓物質彼此遠離，目前這仍然是我們最好的猜測。

袁嵐峰：所以暗物質和暗能量的基本區別就是暗物質在小尺度發揮作用，而暗能量在大尺度發揮作用，對嗎？

亞當·里斯：沒錯，而且它們的作用方向相反。

袁嵐峰：是的，沒錯，這真是非常有趣。但我們至今尚不清楚，暗物質和暗能量到底是什么。

亞當·里斯：沒錯，這非常困難。因為這些東西作用于宇宙，但在較小的尺度上，例如地球，它們的作用非常小，因此很難在實驗室做個實驗找出暗物質和暗能量，因此我們的實驗室其實是整個宇宙，我們只能觀察它們對宇宙的影響，我們很難在實驗室分離出暗物質或暗能量（中科大發布新成果！暗物質究竟是什么？| 科技袁人）。

袁嵐峰：是的，其實我聽說很多實驗家，包括我的一些同事，在做實驗來尋找暗物質。他們得到了各種各樣的結果，但暗物質到底是什么，仍未有定論。他們測量的是物質和暗物質的相互作用強度低于某個閾值，這就是他們目前能做的最好的事。

亞當·里斯：是的。

袁嵐峰：第五個問題是，除了暗能量和宇宙常數的標準解釋之外，對宇宙加速膨脹有沒有其他解釋？如果有其他的解釋，它們有多大的可信度呢？

亞當·里斯：是的，有一點重要的需要記住，因為我們對問題的答案并不確定，所以必須對其他理論保持開放心態，所以在宇宙常數之外的另一種可能，宇宙常數意味著這樣的暗能量，它始終保持同樣的值，它永遠不變，一直是那樣。

但另一種可能是，空間中存在某種場，就像我們熟悉的電場或磁場一樣，那可能是另一種場，但是蘊含著某種能量，而正是這種能量暫時看起來像宇宙常數。但另一種可能是，我們沒有正確的引力理論，也就是說愛因斯坦的引力理論不正確，在這種情況下，我們觀察到的現象就可能是個假象，由于缺乏正確的引力理論而導致的假象，或許這種想法能給我們一些提示，幾百年前也發生過類似的情況，牛頓認為他發現了正確的引力理論，然而后來開始出現微小的反常，有些觀測結果并不符合他的引力理論，其中最著名的之一就是水星近日點進動。

袁嵐峰：是的。

亞當·里斯：水星這個內層行星并沒有精確按照預計的軌道運行，為什么呢，因為水星離太陽太近，那里的引力最強。而當引力很強時，愛因斯坦的相對論與牛頓的引力理論就出現不同了。所以在我們的情況中，或許是當引力作用于非常長的距離時，或許它看起來就會和愛因斯坦的引力理論不同，這種想法叫做修正的引力論……

袁嵐峰：是的，沒錯，修正牛頓動力學（簡稱MOND，Modified Newtonian Dynamics）（一對競爭的科學理論：暗物質與修改引力理論 | 返樸）。

亞當·里斯：甚至有時有人會提到量子引力論，因為我們現在的量子理論無法解釋引力，這些都是假設，人們嘗試提出了很多具體假設，但我們要記住，有一點非常重要，那就是愛因斯坦的引力理論工作得非常好。在太陽系，在地球，在這么多地方我們都做過測試，如果沒有愛因斯坦的引力理論，我們就無法使用手機或者無法使用讓你精確定位你在哪里的GPS。

所以如果有人想提出一種新的引力理論，這很好，但它必須經得住考驗，必須能精準定位你在地球上的位置，必須能精準定位你在地球上的位置，必須能完美解釋衛星的運行軌道，它必須比愛因斯坦的引力理論更好，它必須能做到這一切而且還必須能解釋其他現象，所以這是一個非常非常難處理的問題。

袁嵐峰：是的，非常有趣。剛才您說有一種理論它的簡寫是MOND，對嗎？修正牛頓動力學，我的一些同事也屬于這一學派，盡管這一群體很小，但他們也會發出自己的聲音。

亞當·里斯：是的，沒錯。我認為這種研究非常重要，有時候人們會提出各種不一樣的設想，當愛因斯坦剛提出他的理論時，也是科學界的少數派，所以我們要持開放心態。目前，修正牛頓動力學的想法看起來似乎不是很優美，我會這么說部分原因是，這種理論涉及到太多的參數，如你所知，我可以在某種意義上擬合任何數據，如果你給我足夠多的參數，但這種理論沒有預測性，只是在連接數據點，對吧。它沒有告訴我，怎樣到達下一個點，因此我們要尋找更有解釋力的理論，但我尊重那些研究修正牛頓動力學的人，因為我們要保持開放心態，或許他們正在得出某些我們不知道的東西（雙十一銷售額造假？學了統計學你就知道這有多滑稽了 | 袁嵐峰）。

袁嵐峰：是的，據我所知，在研究修正牛頓動力學的人們看來，暗物質并不存在，對吧？因為他們的出發點就是為了解釋這種效應。您剛才提到量子理論，您是指弦論嗎？還是其他類似的理論？

亞當·里斯：是的，弦論是一種可能的途徑，嘗試達到一種引力的量子理論，但我認為它目前還沒有取得顯著成功來做到這一點，或者解釋這一點。但存在一些難題，當你開始處理量子問題時，你處理的是非常小的尺度，當你在研究愛因斯坦的引力理論時，它會演化到一種叫做奇點的狀態，這些都是真正的數學問題，就像當你有一個分數，你有一個數除以某個東西，而分母卻變成了零。每個人都能理解：哇！它爆炸成了無限。你可以說這只是數學概念，但宇宙中實際發生了什么，當這種除以零的事發生時，沒人真正知道，這在某種程度上就是我們為什么沒有量子引力論，因為這兩種理論似乎并不兼容。

弦論試圖解決這一難題，因為它對這些微小尺度上發生了什么有一種不同的解釋，用弦來解釋，但它還沒有預測過任何具體的現象。因此我們經常會努力想知道，盡管它是一類漂亮的數學概念，但這真的是宇宙中發生的嗎？因此我會說，我們還不知道。

袁嵐峰：是的，因為要驗證這種理論所需的能量，實在太高了。

亞當·里斯：是的。

來源: 風云之聲

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