物理群星
布赖恩·施密特 肖像

图:Tim Wetherell 摄,2011 年 10 月 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

布赖恩·施密特

Brian P. Schmidt

1967–今 · 生于美国蒙大拿州米苏拉 · 美国 / 澳大利亚

天体与宇宙学

二十七岁组队去量宇宙减速得有多快,三年后他核对完学生的算式,说自己的反应介于惊奇与惊恐之间

诺贝尔物理学奖 2011 通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀

「我自己的反应介于惊奇与惊恐之间。」

—— 1998 年初对媒体所说,转引自里斯 2011 年诺贝尔演讲,据英文原文译

施密特的本科奖学金以韦斯托·斯莱弗命名。斯莱弗是 1917 年用棱镜把二十多个星系的光摊开、发现它们几乎都在远离我们的那个人——星系红移的第一批数据就出自他。钱由斯莱弗家族捐给亚利桑那大学。八十年后,拿这笔钱读完书的人,把同一件事往前推到了宇宙的膨胀史。

他自己讲这段时说的是另一件事:1989 年 2 月 24 日,他二十二岁生日那天,哈佛的柯什纳打电话来说录取了。他管这叫这辈子最好的生日礼物。

先学会怎么量一颗超新星

到哈佛之后他做了一个决定:不去找超新星,去研究超新星。

那时 SN 1987A 刚爆过两年,整个领域都在这颗星上打转。柯什纳组里有一套模拟辐射如何从超新星大气中透出的程序,施密特把它用到几颗更远的 II-P 型超新星上,靠膨胀光球法测距离,进而量哈勃常数。这是个苦活:II 型超新星的亮度千差万别,要把距离算准,必须把爆发的物理算清楚。

好处是,等到 1994 年他要转向另一类超新星时,他对「一颗超新星的亮度是怎么来的」这件事,比大多数人都清楚。

一封在长子出生那几天递出去的申请

1994 年年中,他到智利托洛洛山观测,项目本身没成,倒是和当地的孙采夫聊出了另一件事。

当时两个条件刚好齐了:托洛洛山那台 4 米望远镜配上了当时视场最宽的 CCD,智利的夏天几乎不会连着阴天。而阴天对这类实验是致命的——你要先拍一遍底图,一个月后再拍一遍,比出新出现的亮点;任何一次被天气毁掉,后面预约好的大望远镜时间就只能对着不存在的目标空转。

他们拉来了卡兰-托洛洛巡天的几位、欧洲南方天文台的两位,以及哈佛那边的柯什纳、加纳维奇、查利斯和当时的博士生里斯。申请书在 1994 年 9 月 29 日递出,那几天施密特的长子正在出生。

几个月后他带着家人去了澳大利亚,在斯特罗姆洛山天文台做博士后。他写好的图像相减流水线到了智利的机器上跑不起来;那时澳大利亚与智利之间的网速大约每秒一个字符,他没法远程调试;寄数据磁带的快递公司把包裹弄丢了。最后的办法是让智利那边把可疑目标切成 16×16 像素的小图用邮件发给他,配上电话里的口头描述。

1995 年 3 月底,一堆小图里有一个不动、也不像是小行星的亮点。后来定名 SN 1995K,红移 0.479,当时最远的 Ia 型超新星。写国际天文联合会通报的时候他们才发现队伍还没名字,于是临时定了一个:高红移超新星搜索队。

那颗超新星单独给出的减速参数是 −0.6-0.6,但误差太大,他们没往心里去,只在申请书里写着:要做统计上有意义的测量,至少得有十颗。

惊奇与惊恐

1997 年秋天,队里的里斯把手上的样本算完,得到一个负的物质密度。他先把结果发给施密特。

1998 年 1 月初,施密特回信说:他独立算了一遍,是同样的答案。

外面引用最多的是他当时对记者说的一句:我自己的反应介于惊奇与惊恐之间。这话听起来轻松,其实是这行的老实话——一个结果如果既漂亮又颠覆,通常意味着你哪里错了。那几个星期里队内的邮件几乎全在讨论同一件事:我们有多确定,要不要发。

他们发了。同年施密特作为第一作者发表了队伍的方法论文,把搜寻、测光、拟合的整套流程摊开给人检查——与里斯那篇发现论文配成一对。

校长与酒庄

得奖那年他四十四岁。此后他做的事越来越不像一个只管自己数据的人:参与建设天空制图者望远镜,把整片南天逐块数字化,做成南半球第一份现代数字巡天;2016 年出任澳大利亚国立大学校长,一做八年,任内经历疫情与经费削减,2023 年底卸任后回斯特罗姆洛山继续做研究。

他还在堪培拉郊外经营一座小酒庄,种黑皮诺。这不是玩票——他的履历上一本正经地列着「澳大利亚葡萄酒研究所理事会成员」,与那些天文台和大学理事会排在同一页上。

代表方程

压强也参与引力

a¨a=−4πG3(ρ+3pc2)\frac{\ddot{a}}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3p}{c^{2}}\right)

广义相对论里决定膨胀快慢变化的不只是密度 ρ\rho,还有压强 pp——而且压强是被「引」进来的:正压强同样使膨胀减速。于是一件反直觉的事成立:只要某种东西的压强足够负,p<−ρc2/3p < -\rho c^2/3,右边就变成正的,膨胀会加速。真空能正好满足 p=−ρc2p = -\rho c^2。1998 年的观测说的就是这个:宇宙里存在这样一种压强为负的东西,而且占了三分之二。

他们本来要量的那个数

q0=ΩM2−ΩΛq_0 = \frac{\Omega_M}{2} - \Omega_\Lambda

减速参数 q0q_0 是「膨胀慢下来得有多快」的无量纲写法,按定义为正表示减速。在只有物质的宇宙里它等于 ΩM/2\Omega_M/2,所以量出 q0q_0 就等于称出宇宙里有多少物质。高红移超新星搜索队 1994 年立项时,要测的正是这个量;他们做梦也没想到最后测出来的是负值。

伟大发现