仰望星空，千百年来，天文学家注意到星体是在运动的，但是这种运动是遵循某种规律的。因此，很长一段时间，人们总体上认为宇宙是相对静止的。但是，到了20世纪初，爱因斯坦在研究广义相对论时发现，宇宙要么应该是收缩，要么应该是膨胀，总之绝不该是“静止”。不过，爱因斯坦确实被自己的结论吓坏了，他想，这么离经叛道的结论绝不会被物理学界接受，自己肯定是搞错了。于是他通过引入宇宙常数的办法强行修正了结论，使得结论维持宇宙的静止不变。此时的爱因斯坦并不知道，已经有天文学家发现了红移现象。那么，什么是红移现象？宇宙究竟是在膨胀还是静止？读者朋友是否注意到，高速行驶的列车向你驶来的时候，听到的声音通常是非常尖利的；而当列车离你远去时，声音就会变得相对低沉，这个现象叫多普勒效应。医院里常用的“彩超”就是利用了这个原理。
除了声波之外，电磁波（即我们常说的光波）也是符合多普勒效应的。物理学家和天文学家在观察恒星时注意到：如果恒星朝着地球运动，人们观察到的光波波长会变短、频率变高，这个现象又叫蓝移。反之，恒星远离地球运动时，人们观察到的光波波长会变长、频率变低，即发生红移。不仅是恒星会发生蓝移或红移，星系也会发生蓝移、红移。1929年，美国天文学家哈勃在研究星系的距离和红移之间的关系时发现，星系的距离和红移之间有一个大致的线性关系，即“观察到的星系红移量越大，距离地球就越远”。这一发现经修改完善后被称为哈勃定律。有趣的是，哈勃起初并没有意识到自己发现的规律暗示着宇宙正在膨胀。不过，物理学家们却明白背后的原因——早在哈勃的报告之前，通过广义相对论的计算，物理学家就发现宇宙膨胀的必然结果就是会出现所谓的哈勃定律。因此，爱因斯坦在知晓了哈勃的研究后，立即明白自已原先的结论是正确的，宇宙的确是在膨胀，所以立即放弃了宇宙常数，并认为这是他“一生中最大的错误”。哈勃定律的发现有力地推动了现代宇宙学的发展，它有力地否定了“宇宙静止”的传统观点。在地面上，我们可以使用尺子来直接测量距离，而宇宙中直接测量距离却不容易。比较近的天体，如月球还可以用激光、无线电来“直接”测量。对于更加遥远距离的天体，研究人员只能通过相关性质数据的比较，并通过数学模型进行估算。一般我们能观察到的天体都能发光，并且光源离我们越近，亮度就越高。于是，天文学家可以通过光度比较的方法来计算未知天体的距离。但是，这就需要先找到一个已知距离的天体，记录亮度。这个距离、亮度都知道的天体被称为“标准烛光”，相当于一把尺子的0刻度。有了0刻度，现在只要观察记录附近一个未知距离天体亮度，然后再同标准烛光进行比较，就能算出这个天体与我们的距离了。有时夜空中会突然出现一颗耀眼的星，而几个小时前它还不在那里。这颗星往往亮如灯塔，不过要注意，这颗新星其实并不是一颗真正的恒星，或者说现在已经不是了。这个看起来耀眼的新星其实就是一颗恒星走到生命的最后时刻爆炸而成的，所以在天文学上被称为超新星（supernova）。由于超新星在短暂的爆炸阶段内放出的能量甚至要比太阳一生中发出的还多，所以NASA认为，超新星可以算是“宇宙空间中最大的爆炸”。但是，不同超新星的爆发亮度并不完全一致，不能直接当作标准烛光。然而，有一种称作I型A类的超新星（Type Ia supernova，简称IA超新星），被普遍认为是从某种特殊的情况演化而来，且爆发时的状态几乎完全一致，也就是说所有IA超新星爆发时的光度几乎都是同一亮度，这个和谐统一的性质为距离的测量提供了最好的基础。同时IA超新星爆发时的亮度比太阳要亮五十亿倍，能够在极其遥远的距离上被观测到，因此常常被天文学家选做标准烛光。由于我们知道IA超新星爆发时的真实光度，现在我们只要测量好观测到的超新星的现实光度，通过公式计算就能得到现在这颗IA超新星的距离，真是简单粗暴好用。自从天文学家和物理学家们确认了宇宙膨胀的事实，理所当然地进行了一系列理论推导，最终形成了我们现在所听到的宇宙大爆炸学说（Big Bang theory）。不过，当时天文学家预计，由于宇宙中物质的引力，膨胀的速度总是会逐渐减弱的，甚至有人开始担心，如果引力足够大的话会导致宇宙开始收缩，最终宇宙中的恒星、星系和行星将会撞击在一起，引起宇宙发生塌陷（大坍缩假说Big Crunch）。到底宇宙膨胀会不会减速？美国伯克利实验室的天体物理学家Saul Perlmutter认为，通过比较从近至远的众多IA超新星的亮度与红移，就能得出宇宙的膨胀率和时间的关系。于是他在1988年创立了“超新星宇宙学项目”（SPC，Supernova Cosmology Project）开始寻找IA超新星并记录其数据。Perlmutter原本希望发现宇宙膨胀一直在放缓的证据。然而相反，数据显示宇宙在加速膨胀。“会不会哪里出问题了？”SPC项目组都开始怀疑人生了。不过另一个在1994年成立的“High-z超新星搜寻小组”（High-z Supernova Search Team）也得到了同样的结论。最终在1998年，两个小组都找到了足够的目标天体，并且各自通过统计与研究分别得出了结论——作为标准烛光的IA超新星的红移比预计更严重，如果换算成距离的话大约要远10%~15%左右。这显示了宇宙的膨胀正在加速。虽然有人对此结论表示怀疑，但很快，其他观测也显示宇宙在加速膨胀，包括地基宇宙微波背景（CMB）观测和大星系红移测量结果。至此，宇宙在加速膨胀的结论得到广泛认可，两个小组的主要人员也因此获得了2011年度的诺贝尔物理学奖。
可是，到底是什么在推动宇宙加速膨胀呢？暗能量（Dark energy）吗？宇宙能够克服引力法则加速膨胀，必然是有某一个奇怪且看不见的反引力正不断地将宇宙推开。这时，研究人员又想起了已经被爱因斯坦废弃的宇宙常数Λ。爱因斯坦引力场方程，Λ即宇宙常数cosmological constant（Λ为希腊字母，读作Lambda）如果宇宙常数Λ存在，且当它比预想值更大时，那反引力就可以解释了。但是新的问题又出现了。Λ究竟意味着什么？我们地球上到处充满着各种物质。但是为了保温隔热我们把热水瓶壁中的空气抽出制造了“真空”；为了防止计算机硬盘高速运转中发生故障我们也对其抽真空；还有发光的很多灯具也被抽真空处理。但是真空里真的什么都没有吗？物理学家发现，实际上根本没有“真空”，所谓的真空中其实有各种粒子在不断地飞来飞去、碰撞、泯灭、又出现。总之“真空”中不但不是空的，而且满得像海洋。只是我们无法察觉。通过对宇宙的观测也会发现，我们所熟悉的原子构成的物质只占宇宙总物质-能量的4%，不发光也不反射光但是具有引力的所谓暗物质（Dark matter）大约占24%。那剩下的72%是什么呢？没人能知道。但是它真的很像爱因斯坦的宇宙常数Λ。因此，研究人员认为应该创造个新词来描述这种未知的力量，于是美国理论宇宙学家Michael Turner提出暗能量这个假设性的词汇并被大家广泛接受。由于暗能量总量现在占了宇宙中接近四分之三，所以它才能将其余的所有物质（普通物质和暗物质）高速拉开。但是究竟暗能量又是什么？虽然有很多假说，可是能简短而精确的回答却没有。研究人员提出各种可能的解释，比如驱动膨胀的能量是动态、非固定常数，或者宇宙会在膨胀和收缩之间来回跳跃，甚至有人大胆提出——爱因斯坦的广义相对论有缺陷。于是一个新的标准宇宙学模型——ΛCDM（Λ-冷暗物质，Lambda cold dark matter）被提出来了，并得到很多证据的支持。
通过宇宙微波背景辐射拍摄的宇宙照片，支持了ΛCDM模型（其中偏红颜色表示温度较高区域，偏蓝表示温度较低区域）ΛCDM模型向我们描述了宇宙是137亿7000万岁，并且宇宙的加速膨胀被认为是从大约40亿年前宇宙进入其暗能量主导的时代开始的。“暗能量”可能是一种真空能。
暗能量，不仅对整个宇宙有影响，也能操控指引恒星、星系和星系团（galaxy cluster）的演化进程，而人们只是最近20年才发现了它的一丝踪迹。不过，人类对于宇宙的认识是不断发展的，我们现在无法解释的问题，或许多年以后，都能够被科学家们揭开。
点击图片阅读：用沐浴露洗完澡身上为什么滑滑的？难道没洗干净？！
点击图片阅读：一张小卡片就能检基因？DNA探针是什么黑科技？
点击图片阅读：看似无害的电子烟真的安全吗？
温馨提醒
北京科学中心试运营期间开馆时间：
主展馆及首都创新成果展：每周三至周日，9:30-17:00，16:00停止检票入场。
儿童乐园：每周三至周日，上下午各一场，上午9:30-12:00，下午13:30-16:00。
关注“数字北京科学中心”微信号，点击底部菜单“来逛馆”-“网上订票”，即可在线订票。
志愿者招募
想成为北京科学中心志愿者吗？点击左侧图片即可了解详情，并参与报名~