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當布萊恩·施密特在 1993 年獲得天體物理學博士學位時，在那一年，以超新星為論文主題畢業的人寥寥無幾。五年後，他仍然在研究爆炸的恆星，他將成為獨立發現宇宙不僅在膨脹，而且膨脹正在加速的兩個團隊之一。
宇宙膨脹加速意味著它正在被某種嵌入空間結構本身的能量推開。這種能量佔宇宙的 70% 以上。我們稱之為暗能量，主要是因為我們對它到底是什麼一無所知。
2011 年諾貝爾物理學獎授予了布萊恩·施密特，以及與施密特一起在高紅移超新星搜尋團隊工作的亞當·里斯，以及領導競爭對手超新星宇宙學專案的索爾·珀爾馬特，以表彰他們發現宇宙加速膨脹。 頒獎公告稱暗能量為“當今物理學中也許是最偉大的謎團”。
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當施密特本月早些時候參加在德國舉行的第 62 屆林道諾貝爾獎獲得者大會時，我遇到了他，並進一步瞭解了這一發現。
大問題
“我喜歡超新星會變化這個事實，”施密特談到他的博士論文主題時說。“這很吸引我。”
為了他的博士學位，施密特開發了一種測量 II 型超新星距離的方法，II 型超新星是已經走到生命主要階段末期的大質量恆星的爆炸。 II 型超新星與其他型別的超新星不同，因為它們在從它們發出的光的光譜中含有氫。他使用這些距離測量來計算一個稱為哈勃常數的數字，您可以使用該數字來計算宇宙的年齡。 這個想法是，你可以用它來回顧過去，計算出宇宙膨脹減速的速度——因為，當時人們認為這就是正在發生的事情。“它告訴你宇宙的最終命運。天哪，這是一個大問題，”施密特說。“我喜歡它。”
到 1994 年，在施密特獲得博士學位後，技術已經進步到超新星距離現在可以精確測量的程度。“[超新星宇宙學專案] 已經尋找超新星六年了，突然能夠找到它們，”施密特說。 超新星宇宙學專案始於 1988 年，由索爾·珀爾馬特領導。 該專案正在尋找 Ia 型超新星，Ia 型超新星是由白矮星的爆炸產生的——白矮星本身是一顆恆星的遺蹟，其質量不超過太陽質量的 1.5 倍，並且已經停止聚變氫和氦。 來自 Ia 型超新星的光總是遵循相同的模式，這意味著天文學家可以透過其亮度來計算出特定恆星爆炸的距離（例如，參見這張）。
“我們討論過與他們合作，”施密特說。 但雙方小組對如何開展工作都有強烈的看法。“我們存在分歧，而且非常清楚他們不希望我們參與他們的實驗，”他補充道。
但施密特仍然覺得他當時想做的事情是正確的事情。 所以他放棄了其他一切，並做了這件事。 他與 尼古拉斯·桑特澤夫一起，於 1994 年成立了 高紅移超新星搜尋團隊，與超新星宇宙學專案競爭，使用 Ia 型超新星追蹤宇宙的膨脹。 亞當·里斯負責高紅移團隊的資料。 當時施密特本應從事另一個專案，但他放棄了。“從事任何其他事情都沒有意義，因為這就是我想做的事情，”他說。
“我記得說過，如果那些傢伙能找到它們，我們也能，”施密特說。 他形容自己當時年輕、傲慢且天真。“天真總是好的，”他說。 這是一個大膽的舉動。 幸運的是，風險得到了回報。
初光
很快，高紅移超新星搜尋團隊獲得了他們的第一個資料集，來自 超新星 1995K。 到 1997 年 9 月，他們仍在收集資料，但當時還沒有任何不對勁的地方。“在那時，它與一些合理的東西是一致的，”施密特說。
但到 1997 年底，高紅移超新星搜尋團隊的結果顯然絕非合理。 超新星似乎在告訴他們，宇宙的膨脹不僅沒有減速，實際上還在加速。 “亞當 [里斯] 把所有這些資料放在一起，他給我發了一張圖，”施密特說。“郵件的主題行是‘你覺得這個怎麼樣？’，僅此而已。”
施密特和里斯在電話中討論了里斯透過電子郵件傳送的改變正規化的圖表。 他們決定在與任何人談論之前，再次檢查資料分析的每個步驟。“我的最初反應是我們一定犯了某種錯誤，”施密特說。
他們在 11 月底開始了那項艱苦的過程。“我當時正在一邊摸索一邊學習這些東西，因為很明顯我們必須做一些新的事情，”施密特說。 到一月初，他們就分析的“每一個細節”達成了一致。“我記得那一刻，我心想：我們必須把這件事告訴團隊裡的所有人。 然後我們必須在某個時候告訴全世界，”他說。
研究團隊的一些成員對這些發現感到不安是可以理解的。 施密特回憶起告訴他們：“我也覺得很不安，但我已經研究了六個星期了，無法擺脫它。” 該團隊能夠提出一些施密特和里斯沒有做過的測試。 因此，他們在接下來的幾個月裡做了這些測試。
但加速膨脹的宇宙仍然存在。
逼近
在施密特小組忙於檢查和重新檢查他們的分析的整個過程中，他們知道索爾·珀爾馬特的小組也在研究同樣的問題，試圖用超新星測量宇宙的膨脹。 但他們認為他們的競爭對手得到了相反的答案，一個表明宇宙膨脹正在減速的答案，正如所有人預期的那樣。
他們沒有。 1998 年 1 月 8 日，索爾·珀爾馬特代表超新星宇宙學專案在華盛頓特區舉行的美國天文學會會議上展示了暗示宇宙正在加速膨脹的資料。 第二天，《舊金山紀事報》的查爾斯·佩蒂特在報紙頭版報道了這一發現。 這是施密特小組的任何成員第一次聽說超新星宇宙學專案的資料。
“這當然讓我們集中了注意力，”沒有親自參加美國天文學會會議的施密特說。“我們全力以赴。 我們在 2 月 23 日向世界展示了我們的結果。 [珀爾馬特的小組] 對此感到非常驚訝，”施密特說。
當他們宣佈他們關於宇宙加速膨脹的證據時，施密特擔心他們會被“釘在十字架上”。 但他說，有兩個團隊同時獨立得出相同的結果，這是一件大事。
解決問題
幫助這一結果獲得接受的另一件事是，它解決了很多問題。“在前七八年裡，人們已經知道，如果宇宙學常數存在，它將解釋當時宇宙學模型中的幾個異常現象，”施密特說。 宇宙學常數是對暗能量的最簡單描述，暗能量是導致宇宙加速膨脹的力。 奇怪的是，阿爾伯特·愛因斯坦最初提出宇宙學常數是為了讓他的方程能夠描述靜態宇宙。 當 20 世紀 20 年代的天文學家發現宇宙畢竟不是靜態的，而是在膨脹時，他很快放棄了他的宇宙學常數版本。 但自從發現宇宙加速膨脹和暗能量以來，宇宙學常數項再次受到青睞，成為使描述宇宙的方程與天文學家所見相符的一種方法。 新增宇宙學常數本質上對宇宙具有反重力效應，使其能夠在應該減速時將自身推開。
當將宇宙學常數新增到混合物中時，宇宙學的許多方面突然變得有意義了。“如果存在宇宙學常數，整個暴脹情景很容易解釋，”施密特說。“它使大規模結構起作用。 它使宇宙變得平坦，它使宇宙的年齡變得正確。 這意味著哈勃常數可以達到我們測量的水平。 這意味著 [宇宙的物質密度] 可以達到我們測量的水平。 一切都奏效了。”
高紅移超新星搜尋團隊一直很謹慎，沒有宣佈一項發現，而是宣佈了觀測證據。 他們和超新星宇宙學專案都有三個西格瑪的置信度，這意味著他們的結果是偶然發生的機率為 0.27%。 他們合起來有四個多一點的西格瑪——這使得偶然發生的機率更小。 但仍然足夠大，讓一些人擔心。 因此，他們在隨後的幾年裡努力積累證據。
施密特說，這一發現的現實真正讓他信服是在 2000 年。 兩個獨立的實驗，MAXIMA 和 BOOMERANG，它們都測量了早期宇宙遺留下來的光子，即宇宙微波背景輻射，表明宇宙是平坦的。 他們的發現與一個經歷了早期快速暴脹時期、包含難以捉摸的物質暗物質的宇宙相吻合——最重要的是，需要一個宇宙學常數。“在那時，我就是看不到任何擺脫它的方法，”施密特說。
消失的宇宙
“宇宙標準模型的唯一問題是它要求我們虛構 95% 的宇宙”
快進到上個月，施密特在 2012 年林道諾貝爾獎獲得者大會上介紹了他的演講。 如果有人在星期一早上的第一堂課上還沒完全清醒，那麼這句話肯定會讓他們清醒過來。 施密特指的是宇宙能量密度中只有約 5% 是由普通物質（如原子）組成的這一事實。 約 23% 是暗物質。 剩下的 70% 以上是驅動宇宙加速膨脹的暗能量。“我仍然不喜歡它，”施密特說。“但它有效，而且最終，它並沒有醜陋到我們不應該接受它的程度。”
我們可能不得不與暗能量共存，但弄清楚它到底是什麼將證明是一個難以置信的挑戰。 宇宙學常數只是一種想法，即使這樣也更像是一個起點，而不是最終答案。 它需要更詳細的挖掘，才能更好地描述宇宙的狀態和未來。 但這絕非易事。“現實情況是，要接觸到暗能量領域將非常困難。 因為我們無法在實驗室中創造它，這就是問題所在，”施密特說。
然而，他確實有一些想法。“如果我可以做我的大型實驗來測量狀態方程引數[宇宙學家插入描述宇宙的方程中的數字]，我將使用重子聲波振盪。”
重子聲波振盪是早期宇宙中聲波引起的物質密度波動。 它們在今天的星系和物質的聚集中留下了印記。 我們知道它們在早期宇宙中應該有多大，因此透過觀察今天星系的分離，天文學家可以計算出這些星系有多遠——並繪製出宇宙的膨脹圖。
“但我將讓別人來做這件事，”施密特說。
從 7 月 1 日到 6 日，我作為林道部落格團隊的一員參加了在德國舉行的林道諾貝爾獎獲得者大會。 您可以在此處閱讀我在那裡的帖子，或在林道部落格上閱讀。
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2012 年 8 月 5 日更新，以反映尼古拉斯·桑特澤夫在高紅移超新星搜尋團隊的形成中所起的作用（參見他的評論）。