兩個(gè)超新星實(shí)驗(yàn)小組想要測(cè)量的是宇宙在早期的膨脹速率。他們將目光放在了更遙遠(yuǎn)的空間中,因?yàn)槟抢镉涊d著宇宙的歷史。7通過(guò)觀測(cè),他們發(fā)現(xiàn)這些超行星的平均亮度比預(yù)想的要昏暗,這意味著它們距地球的距離更遠(yuǎn),超過(guò)了傳統(tǒng)宇宙模型(即不包含暗能量)所給出的理論值。而一旦我們加入暗能量的作用,一切就變得非常自然了。

在討論暗能量在這里面所起的作用之前,我們先來(lái)介紹一個(gè)結(jié)論。假設(shè)有兩個(gè)宇宙模型,一個(gè)正在發(fā)生加速膨脹,而另一個(gè)則在發(fā)生減速膨脹。這時(shí),如果我們?cè)趦蓚€(gè)宇宙中各自發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有相同退行速度(由測(cè)量光譜的紅移給出)的天體,那么在加速膨脹宇宙中的天體,要比減速膨脹宇宙中的天體更加遙遠(yuǎn)。

要理解這一結(jié)論,我們必須重新審視有關(guān)紅移的討論。在第7章中,我們了解到當(dāng)一個(gè)光源遠(yuǎn)去時(shí),它所發(fā)出的光譜會(huì)發(fā)生紅移現(xiàn)象。在這里,為了更好地理解宇宙加速膨脹所產(chǎn)生的效果,我們不妨從另一個(gè)角度重新解讀這一現(xiàn)象。眾所周知,光在空間中是以電磁波的形式傳播的,而波可以由它的波長(zhǎng)和振幅來(lái)描述。圖10—2描繪了一個(gè)典型的波形,在圖中波長(zhǎng)由兩個(gè)相鄰波峰間(或波谷間)的距離給定。當(dāng)光波穿行在一個(gè)膨脹的宇宙中時(shí),其波長(zhǎng)會(huì)在空間延展的方向被拉伸。這就像在我們假想的橡膠膜宇宙中,當(dāng)橡膠膜被均勻地向各個(gè)方向拉開(kāi)時(shí),膜上的波也同時(shí)被拉伸,從而造成波長(zhǎng)的增加。而隨著波長(zhǎng)的增加,光譜也會(huì)向低頻方向移動(dòng),從而引起紅移現(xiàn)象。薄膜被拉伸得越厲害(空間膨脹得越多),紅移現(xiàn)象就越嚴(yán)重。一個(gè)振動(dòng)波形的振幅(或高度)和波長(zhǎng)(相鄰波峰或相鄰波谷之間的距離)。紅移本質(zhì)上是一種對(duì)波的拉伸,它可以使光波長(zhǎng)增大。

因此,我們可以通過(guò)測(cè)量一個(gè)遙遠(yuǎn)光源的光譜紅移,來(lái)判斷發(fā)光那一時(shí)刻宇宙的膨脹速率。這些光源可以是星系,可以是類星體,也可以是超新星。如果宇宙是加速膨脹的,那么它早期的膨脹速度肯定比現(xiàn)在慢,因此要達(dá)到現(xiàn)在的狀態(tài)就需要更多的時(shí)間。相反,如果宇宙是減速膨脹的,它早期的膨脹速度會(huì)比現(xiàn)在快,那么達(dá)到同一狀態(tài)所需的時(shí)間就會(huì)短一些。這就像兩輛汽車以相同的速度沖過(guò)終點(diǎn),而在終點(diǎn)前的100米內(nèi),其中一輛一直保持加速,而另一輛則在剎車,那么加速行進(jìn)的車一定要花更長(zhǎng)的時(shí)間通過(guò)這100米。事實(shí)上,在這100米中,加速行進(jìn)的汽車一直比另一輛開(kāi)得慢。對(duì)天文學(xué)觀測(cè)而言,更長(zhǎng)的膨脹時(shí)間意味著光從天體出發(fā)要經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)的時(shí)間才能被我們看到。而更長(zhǎng)的時(shí)間意味著光——以宇宙間的極限速度行進(jìn)——走過(guò)了更長(zhǎng)的距離,其所屬天體必然離我們更加遙遠(yuǎn),因此也會(huì)更昏暗一些。