Page 280 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

这个波段，银河高纬度来的噪声应该是 0，对测量系统（天线、放大器等）采取措施将噪声
调整到极低，使之可以忽略，地球大气的噪声可以用维度效应来辨识，将这些减除之后应该
得到 0 结果。但出乎意料的是，不论探测什么方向，也不论在一年中什么时间探测，结果总
是稳定不变的：3.0K±1.0K。这是一个确切的实验结果。从结果与方向和探测时间无关的现
象，可以判断信号来源一定在银河系外。彭齐亚斯和威尔孙对此不能解释，后来和迪克、皮
伯斯联系，才知道这正是他们所期盼找到的宇宙大爆炸的残余背景辐射。在此之后，很多研
究组对不同波长进行了测量，到 1966 年已经覆盖了从 21cm 到 2.6cm 的波段，测得的温度
都接近 3K。这个发现有极为重大的意义，它使得观察宇宙学作为一门科学出现，它给予大
爆炸宇宙学以强有力的支持，为宇宙学的进一步发展提供动力。彭齐亚斯和威尔孙也因此获
得 1978 年诺贝尔物理奖。
根据图 14-1 所示，弗里德曼的理论模型预言了宇宙演化的三种可能性，那么究竟哪一
种更接近我们实际的宇宙呢？或者说我们的宇宙密度ρ有多大？比起ρc 来究竟如何？这个问
题显然必须由实际观测结果来回答。这里定义参数Ω作为ρ与ρc 之比，即

  （14.20）
 c

如果Ω＜1，宇宙将永远膨胀；如果Ω＞1，则膨胀终将停止并开始收缩；Ω =1 是临界情况。
天文学家根据发光星体的观测结果估算，发光物质的质量密度只不过约为 0.04ρc，即Ω ≈
0.04。并且，星系中发光物质的质量所产生的引力效应并不足以解释恒星的运动。通过观测
星系中恒星的运动速度υ与半径 r 的关系后发现，υ几乎不随 r 的增大而下降。根据这一结果
按引力效应来推算，宇宙中不发光却同样具有万有引力作用的物质应占星系质量的主要部
分，这种物质被称为“暗物质”。考虑到星系和星系团中的暗物质后，Ω可提高到 0.25～0.30，
其中暗物质约占全部物质总质量的 85%左右。另外，由天体物理的运动学测量可以推断，
对于我们的宇宙，Ω应当接近于 1。那么，宇宙密度中，其它 70%以上又是什么呢？目前的
主流观点是，这些未知的部分可能是所谓“暗能量”。
暗能量的发现过程极富戏剧性。按照大爆炸宇宙理论，在大爆炸发生之后，随着时间的
推移，膨胀动力将逐渐减弱，加上宇宙中物质间的引力，应当会使宇宙膨胀减速，甚至开始
收缩。但 1998 年发表的美国两个研究小组的观测结果却出人意料，宇宙膨胀并没有减速，
而是在加速。他们观测的对象是Ⅰa 型超新星，这种超新星有“宇宙标准烛光”之称，原因是
它们的内禀亮度虽然小有差异，但亮度和爆发发光时间有确定的关系。从发光时间可以推出
其内禀亮度，再测得表观亮度就能推出其距离，准确度为 12%。霍根（C.J.Hogan）、克希纳
（R.P.Kirshner）和索恩采夫（N.B.Suntzeff）的研究组和佩尔穆特（S.Perlmutter）等人的“超
新星宇宙学项目组”观测统计了几十个高红移度的Ⅰa 型超新星，有些甚至是在 40 亿到 70 亿
年前爆发的，当时宇宙只有现在的 1/2～2/3 那样大。它们爆发的时间不同，而宇宙一直在
膨胀，因此它们的表观亮度应该和宇宙膨胀规律有关。观测发现，遥远的超新星的亮度比期
待的要暗，这一结果意味着这些超新星离我们的距离比大爆炸宇宙模型所预言的距离要远，
也就是说，我们的宇宙正在加速膨胀。这似乎表明，有一种宇宙尺度的巨大能量在对抗引力，
从而推动了宇宙加速膨胀。有人把这种能量命名为“暗能量”。由于暗能量的特征（排斥作
用）与爱因斯坦的宇宙常数相似，所以有人把暗能量归结为宇宙常数Λ。事实上，用ΩM =1，
ΩΛ =0（即宇宙平直，没有宇宙常数）的规律拟合观测数据，在小红移区符合很好，但在大
红移区出现虽不大但却明显的偏离；用ΩM =0.2，ΩΛ =0（即宇宙中物质密度低于临界值，没
有宇宙常数）拟合，情况好些；但如用ΩM =0.2，ΩΛ =0.8（即宇宙平直，且物质密度低于临
界值，有宇宙常数）拟合，情况更好。这说明宇宙常数Λ可能不为零，暗能量可能与此有关。
假设暗能量的状态方程为

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