在天文觀測(cè)時(shí)，有一種“造父變星”是非常重要的。它的作用就像一支標(biāo)準(zhǔn)的“燭光”，通過(guò)測(cè)算和比較，可以確定它附近恒星與地球之間的距離。但是，如果這種“造父變星”太遠(yuǎn)，對(duì)它的辨識(shí)就有困難了，這就不能用于確定恒星（系）與地球之間的距離了。這樣，天文觀測(cè)者就要另尋“它星”了。在宇宙中，恒星演化到晚期，超新星往往是它的歸宿。在超新星中有一種Ia型超新星，它可以承當(dāng)測(cè)量距離的標(biāo)準(zhǔn)“燭光”的角色。獲得2011年諾貝爾物理獎(jiǎng)的兩個(gè)小組正是通過(guò)辨識(shí)和測(cè)量Ia型超新星來(lái)確定恒星之間的距離變化。他們的觀測(cè)支持宇宙正在膨脹著和宇宙的膨脹在加速的看法。

為什么宇宙的膨脹在加速呢？對(duì)此，目前尚不清楚，科學(xué)界的解釋也不一致。有些科學(xué)家喜歡“向后看”，就把愛(ài)因斯坦提出的宇宙方程中的“宇宙項(xiàng)”或“宇宙常數(shù)”找回來(lái)（這已不是第一次了）。所謂“宇宙方程”是科學(xué)家研究宇宙學(xué)的基本方程，就像在牛頓的天體研究中的萬(wàn)有引力定律一樣。在萬(wàn)有引力定律的方程中有一個(gè)萬(wàn)有引力常數(shù)，而宇宙方程中也有一個(gè)“宇宙常數(shù)”。

所謂“宇宙常數(shù)”的意思是什么呢？現(xiàn)在的解釋大體上是體現(xiàn)著“暗能量”的作用，它就像“暗物質(zhì)”一樣是無(wú)法觀測(cè)到的，但卻存在著引力效應(yīng)。雖然“暗能量”只是一些假設(shè)，但卻能解釋現(xiàn)象。

具體來(lái)說(shuō)，“可見(jiàn)的”物質(zhì)由電子和質(zhì)子構(gòu)成，它們可以釋放出電磁信號(hào)，所以它們是“可見(jiàn)的”?！鞍滴镔|(zhì)”則是電中性的，它們的質(zhì)量不為零，性質(zhì)很穩(wěn)定，這種“暗物質(zhì)”粒子的壽命很長(zhǎng)，甚至比現(xiàn)在的宇宙壽命還要長(zhǎng)。對(duì)于“暗能量”的認(rèn)識(shí)卻很有限，大多是猜測(cè)性的。簡(jiǎn)單地講，由于在宇宙膨脹之初，宇宙的空間較小，宇宙中存在的“萬(wàn)有斥力”不明顯，而“萬(wàn)有引力”很明顯；在宇宙不斷膨脹之后，今天的宇宙在大尺度下顯示出了“萬(wàn)有斥力”。這種“萬(wàn)有斥力”就是“暗能量”的表現(xiàn)?！鞍的芰俊辈粌H與“萬(wàn)有斥力”相關(guān)，而且還可用“宇宙常數(shù)”來(lái)表示，“暗能量”的密度正比于“宇宙常數(shù)”。正是由于“宇宙常數(shù)”太小，長(zhǎng)期以來(lái)，“暗能量”的效應(yīng)很小。也正是今天的觀測(cè)使科學(xué)家能估計(jì)“宇宙常數(shù)”的大小，進(jìn)而再估計(jì)“暗能量”的大小。隨著宇宙膨脹，“暗能量”還會(huì)增大，但“暗物質(zhì)”和“可見(jiàn)物質(zhì)”卻不變。也許，隨著研究的不斷深入，對(duì)“暗能量”的“暗”可以認(rèn)識(shí)的更清楚，或許不再“暗”了。

盡管新的研究結(jié)果表明，宇宙膨脹是確實(shí)的，但是疑云依然存在。不過(guò)，就像愛(ài)因斯坦和波蘭物理學(xué)家英費(fèi)爾德曾說(shuō)：

提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題也許僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上的或?qū)嶒?yàn)上的一個(gè)技能而已。而提出新的問(wèn)題，新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步。

從20世紀(jì)中葉以來(lái)，宇宙膨脹模型是宇宙學(xué)研究的重要成果。從這個(gè)不斷得到改進(jìn)的理論來(lái)看，宇宙從時(shí)間和空間上是有限的，光的傳播速度是有限的，光要行遍宇宙的空間是不可能的。另外，如果從光的紅移現(xiàn)象來(lái)看，宇宙是膨脹的，光譜向紅端移動(dòng)，光在一個(gè)膨脹著的宇宙中行進(jìn)所造成的紅移效應(yīng)，使光譜已移動(dòng)到微波的波段，也就是在宇宙中形成了微波背景輻射?？梢?jiàn)，“從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力”的。在科學(xué)的道路上，是沒(méi)有平坦的大路可走的，只有在那崎嶇小路上攀登的不畏勞苦的人們，才有希望到達(dá)光輝的頂點(diǎn)。

CMB實(shí)驗(yàn)最基本的觀測(cè)量是背景輻射的強(qiáng)度，顯示的是普朗克衛(wèi)星觀測(cè)到的最新的CMB溫度漲落各向異性的功率譜。CMB溫度漲落功率譜和宇宙學(xué)模型的眾多參數(shù)有關(guān)聯(lián)，通過(guò)分析CMB溫度漲落功率譜，能以極高精度測(cè)量各類(lèi)宇宙學(xué)模型的參數(shù)，嚴(yán)格限制各類(lèi)宇宙學(xué)模型，這是普朗克數(shù)據(jù)公布的宇宙學(xué)部分的主要科學(xué)結(jié)果。

CMB觀測(cè)的背景輻射來(lái)自于宇宙的極早期，所包含的信息對(duì)于研究暴漲模型是非常重要的。在與部分暴漲模型的理論預(yù)期進(jìn)行比較后，可以看出部分暴漲模型已經(jīng)被目前的數(shù)據(jù)所排除，還有一些模型也可以給出很好的限制。

今天的宇宙包含了很多的物質(zhì)組分，比如冷暗物質(zhì)、暗能量、普通重子物質(zhì)和輻射等。隨著宇宙的膨脹，輻射物質(zhì)在今天宇宙中所占比重已經(jīng)非常得小，可以忽略不計(jì)。暴漲模型預(yù)言今天的宇宙是非常平坦的。利用普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，說(shuō)明今天的宇宙是非常平坦的，這與暴漲模型的預(yù)言符合得很好。

在平坦宇宙的假設(shè)下，普朗克衛(wèi)星測(cè)得的數(shù)據(jù)已經(jīng)在非常高的精度上證明了冷暗物質(zhì)和暗能量的存在。宇宙各物質(zhì)組分的結(jié)果和之前WMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的結(jié)果有一定的出入，如圖中所示，暗能量的組分有一定程度的減少，而物質(zhì)組分有所增加，主要原因來(lái)自于對(duì)今天哈勃常數(shù)的測(cè)量存在一定的偏差。普朗克衛(wèi)星之前，WMAP衛(wèi)星對(duì)于哈勃常數(shù)的測(cè)量為H0＝67.8～72.2，而現(xiàn)在普朗克衛(wèi)星給出的測(cè)量結(jié)果是H0＝66.0～78.8，正是這一改變導(dǎo)致了宇宙中各物質(zhì)組分的比重發(fā)生了一定的修改。這一結(jié)果和其他宇宙學(xué)觀測(cè)還存在著一定的差異，還需要進(jìn)一步的研究。

普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)前后宇宙各物質(zhì)組分比重的結(jié)果比較

由于普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示宇宙中的暗能量比原先認(rèn)為的更少，而可視物質(zhì)的組分變得更高一些，使得宇宙的膨脹速度要比我們之前原先認(rèn)為的更慢一些，宇宙年齡則比原先的計(jì)算結(jié)果更古老，達(dá)到138.13±0.58億年，這比此前WMAP衛(wèi)星數(shù)據(jù)給出的約137億年早了大約1億年。

中微子質(zhì)量對(duì)于CMB溫度漲落會(huì)有一定的影響，特別是小尺度上，不過(guò)影響并不明顯，所以利用CMB數(shù)據(jù)對(duì)中微子質(zhì)量和的限制比較弱。測(cè)量結(jié)果是與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言相符合，排除了第四代中微子的存在。

2003年，由斯隆（Sloan）基金會(huì)提供基金，以資助一項(xiàng)國(guó)際性的研究項(xiàng)目——斯隆數(shù)字太空勘測(cè)（簡(jiǎn)稱(chēng)為SDSS）。有眾多單位參加研究，科學(xué)家從大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)入手，他們得到一些重要的結(jié)果。到2003年年底，《科學(xué)》雜志將這一研究成果選入當(dāng)年的科技成果，并被定為第一。

雖然暗物質(zhì)的存在已有定論，但暗物質(zhì)是什么，仍然沒(méi)有定論。如果中微子成為暗物質(zhì)的成分之一，而且確定中微子質(zhì)量并非是像過(guò)去的看法（質(zhì)量是零）。中微子的質(zhì)量是不為零的，但宇宙中中微子的總質(zhì)量的數(shù)據(jù)仍然是很小的。今天的研究表明，暗物質(zhì)粒子的身份尚未能確定。這也吸引了眾多物理學(xué)家在加速器中去尋找暗物質(zhì)的“身影”。

暗能量是近年來(lái)在宇宙學(xué)中的研究課題之一，還是相當(dāng)熱門(mén)的課題。關(guān)于暗能量的證據(jù)，觀測(cè)上得到了兩個(gè)。一個(gè)是對(duì)于遙遠(yuǎn)超新星的觀測(cè)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙的膨脹并不是像哈勃觀測(cè)的結(jié)果——?jiǎng)蛩俚呐蛎洠羌铀俚呐蛎?。從?ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程來(lái)分析，這種加速的膨脹說(shuō)明，在宇宙中存在著一種“負(fù)壓強(qiáng)”的現(xiàn)象，即所謂的“暗能量”現(xiàn)象。另一個(gè)證據(jù)是，借助對(duì)宇宙背景輻射的測(cè)量，可以精確地測(cè)量宇宙的總密度。如果將普通物質(zhì)與暗物質(zhì)加起來(lái)，只占到宇宙質(zhì)量的1/3，還差2/3呢！這種“短缺”的部分就被稱(chēng)為“暗能量”。暗能量的基本特征是具有“負(fù)壓強(qiáng)”。這種“負(fù)壓強(qiáng)”在宇宙空間中幾乎是均勻分布的，或者是不“結(jié)團(tuán)”的。從WMAP的數(shù)據(jù)看，暗能量約占宇宙物質(zhì)的73%，從Planck衛(wèi)星的數(shù)據(jù)看，暗能量約占宇宙物質(zhì)的68%，可見(jiàn)具有“負(fù)壓強(qiáng)”的暗能量主宰著宇宙。

對(duì)于暗能量，除了需要進(jìn)行更大量的和更精密的觀測(cè)，還要發(fā)揮人類(lèi)的創(chuàng)造性，提出新的理論，以說(shuō)明宇宙膨脹的現(xiàn)象。

暗能量的發(fā)現(xiàn)向物理學(xué)家提出了巨大的挑戰(zhàn)，當(dāng)然也使物理學(xué)家面臨著巨大的機(jī)遇，物理學(xué)研究不再局限于宏觀的世界和微觀的世界，而是要擴(kuò)展到宇觀的世界。也許這些新的現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)物理學(xué)理論真正的統(tǒng)一，引發(fā)更大的物理學(xué)革命。