美国出版商协会年度最佳物理和天文领域专业/学术书籍获奖之作。
我们居住在一个疯狂的宇宙中，这个宇宙有着惊人数量的必要成分：我们所测量的真实宇宙并不是我们能够想象的最简单的那样。
一个对过去十年间Z大的科学故事之一的令人愉快的诙谐描述：爆炸的超新星如何展示了宇宙膨胀是加速的。
对暗能量的测量指向了我们对基础物理学的理解的一个漏洞。1917年，爱因斯坦提出“宇宙学常数”来解释静态宇宙。当观测证明宇宙正在膨胀时，他就将这种早期形式的暗能量抛弃了。但是本书中以第一人称视角描述的近期观测显示，宇宙学常数——或者一些类似的东西——主导了宇宙的质量和能量安排，并且决定了它的命运和形状。
前言
自1970年起，我成为观测超新星这一恒星爆炸现象的天文学家中的一员。我希望能了解它们是什么、以什么机制产生，以及它们如何影响宇宙的化学组成。一点意外的奖赏是，这些研究创造了把超新星变成最好的宇宙标尺的方法，让我们得以测量宇宙中的距离。其中一种超新星来自于太阳这样的恒星死亡后留下的致密遗骸的热核爆炸。这些Ia型超新星（SN Ia）成为了有用的标准烛光，它们的距离可以从其视亮度中精确的测定出来。就像水手依靠灯塔在大海上判断距离，我们也可以用Ia型超新星来测量星系的距离——星系便是宇宙中那些由恒星组成的巨大“风车”和庞大“飞艇”【指旋涡星系和椭圆星系。——译注】，也就是超新星发生爆炸的地方。特别有趣的是，测量超新星的距离引出了关于宇宙组成的一幅全新梦幻图景，在这幅图景中，由空间本身的性质所产生的暗能量主宰了宇宙。
从1912年开始，天文学家就在测量星系的运动了。几乎每一个星系都在离我们的银河系而远去，这种现象被称作红移。1929年，埃德温·哈勃将到星系的距离和它们的红移联系在了一起，指出遥远星系的退行速度比我们的近邻星系更快。这意味着我们住在一个膨胀中的宇宙里。
宇宙膨胀的消息让阿尔伯特·爱因斯坦感到震惊。在此前的1917年，当他咨询天文学家时他们告诉他，宇宙是静态的。他新提出的广义相对论预言的宇宙要么是膨胀的，要么是收缩的。但是理论不能违背事实，即使是错误的事实。爱因斯坦无奈的添加了一个数学常数来修正这个问题——他假设宇宙有一种趋于膨胀的本性，能够平衡引力将物质拉到一起的趋势，而这就是我们现今所谓暗能量的东西。爱因斯坦的“宇宙学常数”项的引入，是为了让宇宙保持静态，就像一个娴熟的自行车手在起跑线上原地保持平衡一样。所以当十年之后爱因斯坦得知哈勃最新的天文观测表明宇宙不是静态的，他立即抛弃了宇宙学常数：“这在理论上是不能令人满意的”。宇宙学常数从严肃的宇宙学讨论中被遗弃了，谁需要这种东西？
1990年，当天文学家正逐渐搞明白宇宙的组成时，我们遇到了一个问题、一个谜团和一个难以克服的困难。这个问题是，宇宙中大部分能产生引力的物质是不可见的；这个谜团是，这些物质没有预期的多；难以克服的困难则是要让暗物质足够多的话，宇宙的年龄就会比一些天体还要年轻。不可见并不是多么糟糕的事——我们可以通过探测不可见物质的可观测效应来探测它们，即使它们并不发光——就像水手可以通过知道水面上的涟漪来预判一阵风的到来。可见物质掉入了冷暗物质组成的宇宙蛛网，但宇宙中的物质只占我们所偏好的理论对最干净利落的宇宙图景的估计值的三分之一。更糟的是宇宙时标的困难。我们星系中最老的恒星的年龄大约为120亿年。如果宇宙全都是能产生引力的物质组成的，宇宙膨胀应该随时间越来越慢，根据宇宙膨胀算出来的宇宙年龄应该是大约100亿年。在100亿年的宇宙中找到120亿年的恒星并不会让人相信这是物理世界的真实历史。那这幅图景出了什么错误？这些美好图景上的轻微裂纹，是否预示着大爆炸理论有严重的问题，或者我们漏掉了什么东西？
在过去几年，一些科学家团队开始使用新仪器、新望远镜，包括哈勃望远镜，来寻找遥远的超新星。这让我们能够测量宇宙膨胀的历史。我们期待测得宇宙膨胀自大爆炸以来是如何减速的。我曾经被囊括进一支这样的团队，一群欢乐的、无法无天的哥们（和一些姐们）组成的“高红移超新星搜寻小组”（high-z supernova search team）。字母z是天文学家对红移的简写，这个名字的意思是我们要寻找很高红移、很远距离上那些爆炸的恒星。
1997年，这项工作还在进行中时，我被邀请到普林斯顿做一系列讲座，这些讲座的内容构成了本书的基础。不过当我回顾过去的讲义，我发现我们在1997这一年中几乎没有什么结果可以报告：尽管我们知道问题就在那，而且预见到了如何得到答案，解决这些天文难题的惊人答案却是在那之后很短时间冒出来的。我当时讲了很多关于超新星如何爆炸、如何产生新的化学元素，但并没有怎么讲超新星如何用来测量宇宙的膨胀历史。现在初步结果出来了，我们有了全新的惊人结论，一举解决了十年前那些问题、谜团和困难。
遥远超新星的观测显示，我们并非居住在爱因斯坦以为的静态宇宙中，宇宙也不只是哈勃所说的在膨胀，而是在加速膨胀！我们把这一随时间加速的膨胀归功于一个能产生向外压力的暗能量。在其最简单的形式下，这可以是爱因斯坦的宇宙学常数，那个曾经在60年的时间中被视作理论毒草的东西。暗能量补全了理论家们想要求索的宇宙质量-能量组分，消除了天体年龄和宇宙当前膨胀速率之间的矛盾，再补之以大爆炸本身留下的漫长余晖的最新测量，构成关于宇宙组成的一幅完美、惊人的图景。
过去五年，我们就像是在玩七巧板——完成了拼图的大体框架，滑块快速的各就各位，你几乎能看出还差什么形状。缺失的那个形状可能是最重要的。由暗物质主导的宇宙的存在昭显出，我们对空间的亚微观性质的理解还存在一个认知鸿沟：真空的性质。没有任何其他实验室测量结果和物理理论预言出我们的观测所指示的那么多暗能量。在最小的尺度上理解宇宙的下一步将会是把引力和自然界中其他几种力统一起来。也许在暗能量这一发现的促动下，以后会有对这个疯狂的宇宙的新理论视野，看起来更加简单和理所当然新图景。但眼下，解决宇宙加速膨胀之谜仍是一个诱人深入研究的目标。
我们对当前宇宙的图景是疯狂的：它有中微子作为热暗物质；一些不知道是什么的东西作为冷暗物质；大爆炸后10^-35秒时发生的暴涨；以及宇宙在暴涨年龄的10^52倍时间后，由暗能量导致的加速膨胀。这比任何人想象的都要疯狂，而这些都是基于我们所无法看到的东西中找到的证据。我们通过观测大爆炸本身产生的光，以及来自或稳定、或变化、或爆炸的恒星的光，以及来自可观测宇宙边缘的星系的光，构建了这一图景。
在世人之前优先体味观察宇宙的新视角，是本书所将提及的那些辛勤工作的人们独享的快乐。然吾乐乐不如众乐乐，我希望能与你共享这一精彩旅途，让对宇宙的理解带给你非凡的激动。
作者介绍：
罗伯特·P.基尔什纳，是哈佛大学的克劳斯科学教授。从事天文学方面研究，包括超新星遗迹、宇宙的大尺度结构和使用超新星测量宇宙的膨胀等。获得过加州理工学院杰出校友奖，丹妮海涅曼数学物理奖（2011），詹姆斯·克雷格·沃森奖章（2014），沃尔夫物理学奖（2015）。
译者介绍：
青年天文教师连线
刘博洋，北京大学天文学系2012届本科校友，中国科学院国家天文台、澳大利亚西澳大学在读博士。NGO 青年天文教师连线创始人。知乎“天文学”“天体物理学”话题优秀回答者，专栏“天文八卦学”作者。中国科普作协会员。已出版译著《宇宙》《太空》《火星》《太空全书》（含合译并负责统稿）。
李雨珊，南京大学天文本科校友，欧盟伊拉斯谟项目硕士在读。知乎“天文技术宅”专栏作者。
尹倩青，中科院高能所博士、助理研究员。参与《火星》等书籍翻译。
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