物理学诺奖得主里斯：我对宇宙的好奇，就像沙子想了解大海

亚当·里斯（Adam Riess）是美国的天体物理学家，目前就职于约翰·霍普金斯大学和太空望远镜科学研究所。2011年，也就是里斯42岁的时候，他与另外两位科学家共同获得诺贝尔物理学奖，理由是“透过观测遥远的超新星，发现宇宙加速膨胀”。

上世纪90年代末，亚当·里斯与布莱恩·施密特（Brian Schmidt）共同领导的高速红移超新星搜索小组，通过监测Ia超新星，首次证明了宇宙正在加速扩张。这个观察结果与当时普遍认可的理论相反，当时普遍认为宇宙膨胀的速度正在变慢。然而通过在地球上检测超新星的红移现象，他们发现这些诞生于数十亿年前的超新星正在加速远离地球。

同一年，由美国劳伦斯伯克利国家实验室的天体物理学家索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）领导的超新星宇宙学项目，也发现了这一结果。这两项研究成果确凿证明了宇宙加速膨胀的理论。1998年，宇宙加速膨胀的发现被《科学》杂志列为“年度突破”，2011年三位物理学家共同获得了诺贝尔物理学奖，以表彰这一开创性的工作。

暗能量是蛋糕里奇怪的配方

生活中有这样一个有趣的现象：当一辆救护车鸣着笛由远及近向你迎面驶来的时候，你会听到警笛声变响，音调变高；而当车从近而远离去的时候，声音变轻的同时，音调变低。物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化，这就是“多普勒效应”。波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。这一理论由奥地利物理学家、数学家克里斯提安·多普勒（Christian Doppler）于1842年提出。

不仅仅是声音，所有的波动现象都存在多普勒效应。当一颗遥远的超新星的光芒频率变低，出现红移，就表示它正在远离地球，正如鸣笛远去的救护车。天文学家们由此可以通过监测超新星的“鸣笛声”，检验天体之间的相对运动。里斯等物理学家通过观察高红移超新星而得出宇宙加速膨胀的结论，正是基于多普勒效应。

里斯领导的高红移超新星搜索队，利用哈勃天文望远镜发现了人类见到过的最遥远的超新星，也就是人类所能看到的最早期的超新星。这意味着他的团队已经追溯到100多亿光年的宇宙大爆炸。其中一个重要贡献是发现了在早期阶段宇宙是减速膨胀的，这也导致最遥远的超新星看起来比原本计算的要更亮一些。这一结果证实了暗能量-暗物质模型，并开启了天体物理研究的新征程，包括暗能量的存在等。

“暗能量无处不在，实际上，我们所在的这个房间里，就充满了暗能量。”里斯说，但是暗能量本身非常弱，房间里有每个人、每把椅子和每张桌子之间的万有引力，有来自地面和空气中的电磁力，在这些力量面前，暗能量“相形见绌”，人们完全无法感受到。

膨胀宇宙论研究表明，宇宙的组成可能有约68.3%的暗能量，4.9%的重子物质（即我们可见的物质），以及26.8%暗物质，也就是说在我们的宇宙中除了物质和能量，还有暗物质和暗能量。而这些暗物质和暗能量相加，占到宇宙总量的95%。

“就像做蛋糕的食谱，你会发现在所需的材料里，只有5%左右是你知道的常见的东西，剩余的95%都是一些奇奇怪怪的东西。”不仅仅是宇宙的组成，里斯觉得5-95的比例可能符合人们对于很多事物的认知。

小到一个房间，大到一个星系，暗能量无处不在却无法被感知被捕捉。目前一个星系内部足够紧凑，引力足够强。包括恒星、行星等物质，通过万有引力维持在一起，这意味着暗能量永远撬不开一个星系。

那么暗能量在哪里才能被感受到呢？

“只有当我们走向深空，到达外太空，直到物体间的相互引力变得比暗能量更弱的时候，才能感受到暗能量的存在。”里斯表示，暗能量存在于星系之间的空间里，这些空间最大的特点就是“空”，无论是有形的星球还是无形的力，什么也没有，以至于暗能量能够推动这些空间的扩散。

在一番绞尽脑汁的思考后，里斯找到了一个合适的类比。他说暗能量像是一种“影子力量”，就好比人们走在自动扶梯上。只要我们走得比自动扶梯更快，就感受不到这种力量了。这就是物质克服暗能量的原理。但是如果我们什么也不做，那么就会和自动扶梯一起前进。同样，物质之间如果什么也没有，那就会感受到暗能量的力量。

里斯认为，人们对宇宙命运的理解，实际上取决于人们如何理解暗能量的真实本质。现在当人们看向地球之外的宇宙时，会看到很多来自周围星系的光。但暗能量一直在加速扩张，物质与物质之间的空间也会加大，星系之间将会隔得越来越远，以至于来自遥远星系的光已经来不及让人们看到了。最终除了人类自己所处的室女座超星系团之外，所有其它星系团都会极端红移、加速远离，侦测它们会变得更加困难，遥远的宇宙也会变得越加黑暗。

“如果这种情况持续下去，未来我们看向地球之外的宇宙时，就真的只有一片黑暗，这是一件非常让人伤心的事情。”里斯表示，虽然按照目前的理论，结局甚是悲惨。但比起看不到星星的天空，里斯开玩笑说，人们更应该担心的是太阳还有50亿年左右的时间就要“燃尽”了。到时候太阳会慢慢变成红巨星，体积可能会增大到现在的10亿倍，那时候太阳将会吞没地球。但好消息是这些事情在当下的时点看，都还很遥远，人们也尚未充分理解暗能量，因此还能保有盲目的乐观。

“我们不知道暗能量是会让宇宙扩张数十亿年，还是会发生变化并且正在成为一种引力，可以将星系们再拉回到一起。如果是这样的话我们就可能面对另一个完全不同的未来。”

了解宇宙的共同目标，将所有人联系在一起

这次来上海，是里斯第二次到访中国。除了故宫和烤鸭，让里斯印象深刻的还有中国的年轻科学家们。

“虽然我还没有和中国有具体的合作，但我发现这里的人都非常非常聪明，同时对科学非常热忱。”里斯表示，他经常会在预印本网站arXiv上看到一些来自中国科学家的有趣研究，里斯会给他感兴趣沟通的作者发邮件进行交流。但真正在数据上、理论解释上的深入沟通还是需要面对面的交流，所以里斯建议年轻学者们多多参加学术会议，把握当面交流的机会。

“美国的科学已经发展了很久并长期占据全球主导地位，这意味着年轻的科学家们从进入科学界开始，就可以从前辈那里继承很多东西，包括学术与论文的规范和准则、思考的方式、交流的方式等等，但这些对于中国来说还是新事物。”里斯表示，中国在未来的四五十年里，只要每一代科学家都能一步一个脚印，为下一代留下一些“科学遗产”，那么一个完善的科学界很快就能建立起来。在这件事情上，先行者和后来者的继承与合作很重要。对于全人类探索宇宙而言，更是如此。

太空任务是一件开销巨大且非常复杂的事情，每个国家都需要尽可能地节省开支。如果每个国家都能发挥特长，处理这样一件棘手的任务就会变得十分简单。用于开发和运作适合人类永久居住的国际空间站项目（ISS）就是由美国、俄罗斯、日本、法国、德国等16个国家，从上世纪90年代开始共同推进的国际合作项目。在里斯看来，一个国家可能有能力造宇宙飞船，但是在CCD芯片上或许就会需要另一个国家的帮助。因此，对于太空任务和天体物理的研究而言，进行深入的国际合作是一件很自然的事情。

里斯表示，从某种程度上来说，完成一个太空任务和建设空间站是差不多的，有一个总的设计，分成几部分具体的任务，每个国家完成各自的任务。“最后，所有的科学家们共同向更深远的探索和更伟大的目标进发。”