我们怎么知道宇宙在膨胀？

虽然这是关于宇宙命运的重要问题，但是你不必紧张。无论会发生什么，我们讨论的都是未来几十亿年后的事。你不仅有时间写完你的畅销小说，还能写个续篇。但是，这个问题对我们很重要，因为这种重大问题的答案会让我们更加了解宇宙。有时候，仅仅是提出这些问题，就能让我们发现一些令人诧异的事情，它们还会影响我们的日常生活。比如，你知道自己手机里GPS的工作原理吗？如果爱因斯坦没有提出“物体以光速运动会怎么样？”这个问题，那么我们就不可能用上精确的GPS系统。看似和地球无关的问题促进了相对论的发展。

为了预言宇宙的最终命运，科学家需要知道宇宙的膨胀速度，因此他们会测量周围星系离我们而去的速度。

你应该知道，在一个膨胀的宇宙中，每一件东西都会远离其他东西，而并不只是远离中心。假设宇宙是一片面包，而你是上面的葡萄干。当面包在烘烤中膨胀时，每一粒葡萄干都会远离其他葡萄干，但是葡萄干还是原来那么大。

为了知晓宇宙的命运，我们得知道宇宙的膨胀会不会发生改变。和几十亿年前比，其他星系远离我们的速度是变慢了，还是变快了？我们想知道这个膨胀率是如何随时间变化的。也就是说，我们需要知道物体在过去远离我们的速度，然后和现在进行比较。预测将来是非常难的，但是对天文学家来说，调查过去很容易。宇宙是如此巨大，而光速是有限的，光需要花很长时间才能从遥远的地方来到地球。这意味着非常遥远的恒星发出的光是非常古老的，其中携带的信息也是非常古老的。看这光就看到了过去。

这反过来也是成立的。如果外星人在某个非常遥远的行星上通过他们的望远镜观察地球，那么他们看到的是很久以前离开地球的光线。此时，他们可能正在看几年前发生在你身上的囧事（我们就不明说了）。

所以，一个物体越远，它让我们看到的光越古老，我们就越能从中看到遥远的过去。也就是说，如果我们看到非常远的物体以某个速度运动，而近一点的物体以另外一个速度运动，那么我们可以推断，物体运动的速度是随着时间而改变的。我们可以通过遥远恒星的光谱测量它的移动速度，警察会用同样的原理（多普勒效应）给你开超速罚单。一颗恒星远离我们的速度越快，它的光在我们眼中就会变得越发偏红。

想知道天体的距离，我们需要一些科学技巧。以这个问题为例：如何区分一颗很近的暗星和一颗很远的亮星？从同一架望远镜里看，它们是一样的，都像黑暗夜空中的暗淡小光点。事情一直都是这样，直到科学家辨认出了一类特别的恒星，并且确信它们在宇宙任何地方都会做同样的事情。这些特殊的恒星会以同样的速率变大，达到特定大小时，它们会爆炸—准确地说，它们向内崩塌了，但是这个过程太过猛烈，所以会产生大爆发。这类爆发的星被称为Ia型超新星。Ia型超新星的有用之处在于，它们一般以相似的方式爆发。也就是说，经过校准之后，如果你看到一个暗的Ia型超新星，那么它一定离你比较远，如果你看到一个亮的Ia型超新星，那么它离你比较近。这就像宇宙里到处都放着相同的灯塔，从这一点我们就能想象它有多大、多壮观。（宇宙神秘而复杂。）

天文学家称这些Ia型超新星为“标准烛光”（他们就是那么浪漫）。有了这些，天文学家就能知道遥远的物体到底有多远（以及它们有多老），结合使用多普勒效应，他们还能知道这些物体的运动速度。这意味着天文学家们能够测量宇宙的膨胀是如何随时间变化的。

在意识到这些之后，有两个科学团队展开比赛，看看哪一方先测出宇宙膨胀的速率。然而，寻找Ia型超新星是有难度的，因为它们的爆发是一个持续时间不长的过程。为了抓住一颗Ia超新星，你必须持续不断地扫描天空，找出那些突然变得特别亮然后又变得暗淡的亮点。这需要花一些时间。

这两队科学家都假设宇宙的膨胀会减慢或者保持不变。这是合理的。如果宇宙爆发了，而引力在试图把所有东西都拉回来，那就只有两种可能，要么引力胜利，所有东西被拉了回来，要么它失败，所有东西保持稳定的膨胀。

当科学家们展开测量和计算时，他们本以为引力会胜利。也就是说，他们以为自己会发现，相比近处的（较年轻的）恒星（也就是更晚出现的），远处的（较古老的）恒星远离我们的速度更快。让他们感到迷惑的是，事情恰恰相反：比起过去，恒星现在远离我们的速度更快。换句话说，宇宙的膨胀比以前更快了。

让我们花一点时间来想想这个结果有多意外。天文学家想到了两件事：第一，宇宙在很久以前爆发了；第二，引力在试图把它重新拉回去。可是这里还有重要的第三件事，关乎空间本身。我们会在第7章详细地讨论这个问题。空间不是静态的空幕布，供宇宙的剧场在上面演出。它可以弯曲（发生在大质量物体出现时），可以产生涟漪（引力波），还可以膨胀。它的确在膨胀，而且很快。空间在匆匆忙忙地变大。有什么东西在产生更多空间，把宇宙中所有的东西向外推。

我们应该注意到的是，实际结果显示宇宙膨胀在开始的时候的确减慢过，但是在最近的50亿年中，有些东西在促使宇宙中的事物越来越快地相互远离。

这个使宇宙加速膨胀的驱动力就是物理学家所说的暗能量。我们看不见它（所以它“暗”），它把所有的东西都向外推开（所以它是“能量”）。它是宇宙的主要力量，差不多代表了宇宙中所有物质和能量的68%。