两个超新星实验小组想要测量的是宇宙在早期的膨胀速率。他们将目光放在了更遥远的空间中,因为那里记载着宇宙的历史。7通过观测,他们发现这些超行星的平均亮度比预想的要昏暗,这意味着它们距地球的距离更远,超过了传统宇宙模型(即不包含暗能量)所给出的理论值。而一旦我们加入暗能量的作用,一切就变得非常自然了。

在讨论暗能量在这里面所起的作用之前,我们先来介绍一个结论。假设有两个宇宙模型,一个正在发生加速膨胀,而另一个则在发生减速膨胀。这时,如果我们在两个宇宙中各自发现了一个具有相同退行速度(由测量光谱的红移给出)的天体,那么在加速膨胀宇宙中的天体,要比减速膨胀宇宙中的天体更加遥远。

要理解这一结论,我们必须重新审视有关红移的讨论。在第7章中,我们了解到当一个光源远去时,它所发出的光谱会发生红移现象。在这里,为了更好地理解宇宙加速膨胀所产生的效果,我们不妨从另一个角度重新解读这一现象。众所周知,光在空间中是以电磁波的形式传播的,而波可以由它的波长和振幅来描述。图10—2描绘了一个典型的波形,在图中波长由两个相邻波峰间(或波谷间)的距离给定。当光波穿行在一个膨胀的宇宙中时,其波长会在空间延展的方向被拉伸。这就像在我们假想的橡胶膜宇宙中,当橡胶膜被均匀地向各个方向拉开时,膜上的波也同时被拉伸,从而造成波长的增加。而随着波长的增加,光谱也会向低频方向移动,从而引起红移现象。薄膜被拉伸得越厉害(空间膨胀得越多),红移现象就越严重。一个振动波形的振幅(或高度)和波长(相邻波峰或相邻波谷之间的距离)。红移本质上是一种对波的拉伸,它可以使光波长增大。

因此,我们可以通过测量一个遥远光源的光谱红移,来判断发光那一时刻宇宙的膨胀速率。这些光源可以是星系,可以是类星体,也可以是超新星。如果宇宙是加速膨胀的,那么它早期的膨胀速度肯定比现在慢,因此要达到现在的状态就需要更多的时间。相反,如果宇宙是减速膨胀的,它早期的膨胀速度会比现在快,那么达到同一状态所需的时间就会短一些。这就像两辆汽车以相同的速度冲过终点,而在终点前的100米内,其中一辆一直保持加速,而另一辆则在刹车,那么加速行进的车一定要花更长的时间通过这100米。事实上,在这100米中,加速行进的汽车一直比另一辆开得慢。对天文学观测而言,更长的膨胀时间意味着光从天体出发要经过更长的时间才能被我们看到。而更长的时间意味着光——以宇宙间的极限速度行进——走过了更长的距离,其所属天体必然离我们更加遥远,因此也会更昏暗一些。