2011年的諾貝爾物理學(xué)獎屬于索爾?佩爾穆特 、布賴恩?P?施密特（已于2011年9月30日去世）和亞當(dāng)?G?里斯三位天體物理學(xué)家。瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎評委會物理學(xué)家奧爾加?博特納稱：
　　
　　在物質(zhì)主宰的宇宙中，人們曾希望萬有引力能逐漸讓宇宙膨脹的速度減慢。所以可以想象，如今的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者們在1998年公布他們的研究結(jié)論，宇宙在加速膨脹而非減速時，是多么讓人吃驚。通過對比不同距離的超新星視亮度，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)遠處的超新星視亮度比預(yù)期黯淡25%，也就是比預(yù)期的距離更為遙遠，這意味著宇宙膨脹正在加速。這一發(fā)現(xiàn)改變了我們對宇宙的理解，它將是宇宙學(xué)的基礎(chǔ)和里程碑。
　　
　　蛋糕里的葡萄干：Ia型超新星
　　
　　三位分享獎項的獲得者實際分屬兩個不同且相互競爭的團隊。索爾?佩爾穆特領(lǐng)導(dǎo)著的，是1988年啟動的“超新星宇宙學(xué)項目”（Supernova Cosmology Project）。布萊恩?施密特領(lǐng)導(dǎo)著另一個團隊，即1994年啟動的“高紅移超新星研究組”（High-z Supernova Search Team），亞當(dāng)?里斯在這一團隊中起到了至關(guān)重要的作用。
　　
　　這項研究的關(guān)鍵是發(fā)現(xiàn)超新星。國家天文臺研究員、宇宙暗物質(zhì)暗能量組首席研究員陳學(xué)雷在給“科學(xué)松鼠會”撰寫的文章中介紹：
　　
　　超新星的概念是1934年由茨維基和巴德提出的。他們猜測當(dāng)一些恒星壽命結(jié)束時將會塌縮，然后發(fā)生爆炸，其亮度可達到十億甚至百億個太陽的亮度，巴德和茨維基也觀測到了一些超新星。后來發(fā)現(xiàn)，其實有兩種不同的超新星，一種是茨維基最早提出的核塌縮超新星，另一種其爆炸機理不同，現(xiàn)在一般認為是白矮星（質(zhì)量比較低的恒星比如太陽在燃盡核燃料后就會變成白矮星）從其伴星中吸積物質(zhì)，到一定程度后發(fā)生核爆炸。有趣的是，茨維基和巴德最早觀測到的超新星都是后面這種他們所未曾想到過的類型，被稱為Ia型超新星。由于超新星很亮，可以在宇宙中很遠的地方看到，因此可用來研究宇宙學(xué)。特別是，白矮星有一個質(zhì)量上限，稱為錢德拉塞卡質(zhì)量，大約是1.4個太陽質(zhì)量，白矮星發(fā)生超新星爆炸時大多都比較接近這個質(zhì)量。既然這時白矮星的質(zhì)量都差不多，就有理由認為，其爆炸時的亮度可能也差不多。這樣，Ia型超新星就有可能作為“標準燭光”來使用：假定所有超新星的“絕對亮度”也就是本身的亮度相等，那么根據(jù)觀測到的一顆Ia超新星的視亮度，就可以推測它到我們的距離。
　　
　　兩個研究團隊正是通過尋找遙遠空間中爆發(fā)的超新星，從而展開競賽。通過確定這些超新星的距離和它們離我們而去的速度，科學(xué)家希望能夠揭開宇宙的最終命運�？茖W(xué)家們的初衷，都是希望發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在減速的證據(jù)，但結(jié)果完全相反。
　　
　　如果用更為形象簡單的比喻來理解這一研究發(fā)現(xiàn)，可以將宇宙想象成一個放進烤箱的蛋糕，而超新星們則為蛋糕內(nèi)不同位置的葡萄干。隨著蛋糕烘焙而逐漸膨脹，葡萄干之間的距離開始逐漸擴大，若它們之間的距離大于預(yù)期距離，則可理解為蛋糕正在加速膨脹。
　　
　　在此之前，兩個團隊曾不謀而合地認為，自己的發(fā)現(xiàn)是錯誤的。“我們幾乎經(jīng)歷了數(shù)個月的掙扎，才開始真正相信自己的研究結(jié)果�！� 索爾?佩爾穆特在獲獎后向媒體透露，“而且當(dāng)你把研究結(jié)果告訴別人時，你還得經(jīng)歷此生最長的質(zhì)疑眼光”。
　　
　　1998年1月，兩個小組幾乎同時公布了自己的觀測結(jié)果，“超新星宇宙學(xué)項目”組有42顆超新星數(shù)據(jù)，“高紅移超新星研究組”雖然只有16顆超新星數(shù)據(jù)，但每顆的誤差要小一些。他們一致的結(jié)論是宇宙正在加速膨脹。這一結(jié)果當(dāng)即轟動世界。
　　
　　當(dāng)然也不乏質(zhì)疑之聲。因為人們發(fā)現(xiàn)Ia型超新星彼此并非完全相同，有些光度的變化速度更快一些，有些則更慢一些。也就是說，這些被當(dāng)作標尺的“尺子”本身并不標準。不過，2003年《自然》雜志的一則新聞報道解釋了這一發(fā)現(xiàn)，后有其他研究者跟進，并提供了更多的觀測數(shù)據(jù)，繼續(xù)支撐用Ia型超新星做標尺的理論。
　　
　　愛因斯坦的遠見
　　
　　科學(xué)家永遠站在巨人肩膀之上。
　　
　　20世紀初，美國天文學(xué)家漢麗埃塔?斯萬?勒維特發(fā)現(xiàn)了一種測量遙遠恒星距離的方法。當(dāng)時，女性天文學(xué)家沒有接觸大型望遠鏡的資格，但她們被天文臺雇傭，從事分析照相底板的繁重工作。勒維特研究了上千顆被稱為造父變星（Cepheid）的脈動變星，發(fā)現(xiàn)越明亮的造父變星，其脈動的周期也越長。利用這樣的信息，勒維特能夠計算出造父變星自身的亮度。只要有一顆造父變星的距離是已知的，其他造父變星的距離就可以推算出來―恒星的光顯得越暗，它的距離就越遠。這就是宇宙學(xué)中“標準燭光”的誕生。直到2011年，三位獲得諾貝爾獎的物理學(xué)們使用的，也是同原理的方法。
　　
　　20世紀20年代，當(dāng)時世界上最大的望遠鏡（位于美國加利福尼亞威爾遜山上）投入使用，這讓天文學(xué)家能夠證明，幾乎所有的星系都在遠離我們而去。他們研究的是一種叫做“紅移”（redshift）的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象當(dāng)光源遠離我們而去時就會出現(xiàn)。光的波長會被拉長，而波長越長，它的顏色就越紅。天文學(xué)家得出的結(jié)論是，星系不僅在離我們而去，彼此之間也在相互遠離，而且距離越遠，它們彼此逃離的速度就越快―這被稱為哈勃定律（Hubble’s law），這一定律說明：宇宙正在膨脹。
　　
　　實際上，在理論計算中，宇宙膨脹已經(jīng)被人提出過了―不是別人，正是現(xiàn)代物理學(xué)的奠基人物愛因斯坦。1915年，愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對論，按照該理論，宇宙只能收縮或者膨脹，不可能穩(wěn)定不變。
　　
　　這個結(jié)論的提出比天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系遠離早了差不多10年，但愛因斯坦無法忍受宇宙不可能穩(wěn)定不變這一事實。為了消滅他不想要的宇宙膨脹，愛因斯坦在他的方程里加了一個常數(shù)，他稱之為“宇宙學(xué)常數(shù)” （cosmological constant）。當(dāng)年愛因斯坦加入宇宙學(xué)常數(shù)的目的，是為了引入一種能夠與物質(zhì)之間的引力相抗衡的斥力，從而創(chuàng)造出一個靜態(tài)的宇宙。后來，哈勃定律的發(fā)現(xiàn)讓愛因斯坦認為，加上這個宇宙學(xué)常數(shù)是一個大錯誤，于是便將其刪除。
　　
　　究竟是什么在加速宇宙膨脹？目前主流的解釋引入了“暗能量”的概念。暗能量(dark energy)一詞是美國宇宙學(xué)家M邁克?特納引入的。它實際上也是物質(zhì)的一種形式，與暗物質(zhì)一樣不可見，可以理解成是與萬有引力相對的“斥力”，從而導(dǎo)致宇宙加速膨脹。
　　
　　根據(jù)現(xiàn)有理論預(yù)測表明，宇宙中75%左右的物質(zhì)是暗能量，此外還有21%左右是不發(fā)光的暗物質(zhì)，而我們熟悉的普通物質(zhì)僅占4%多一點。也就是說，本屆諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者們，向人類揭露了一個近96%的成分仍然未知的宇宙。
　　
　　冰與火之歌
　　
　　根據(jù)普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授保羅?斯坦哈特解釋，根據(jù)“宇宙加速膨脹”理論，一億萬年之后，宇宙的規(guī)模將遠遠大于當(dāng)下，且星系間的距離更加遙遠。逐漸增大的膨脹速度將會導(dǎo)致我們無法再看到其他星星發(fā)出的光芒。這就好像人口密集的城市忽然變成了沙漠，而人們散落于無邊無際的沙漠之中，再也無法看到對方一樣。另一方面，加速膨脹將意味著宇宙毀滅于冰，持這種觀點的是諾貝爾物理學(xué)委員會秘書拉爾斯?伯格斯特龍，他的觀點為大部分國外媒體引用。
　　
　　其他觀點同時存在。有人認為，如果承認暗能量的存在，那么宇宙在遙遠的未來不會塌縮也不存在終結(jié)，會一直膨脹、存在下去，溫度極低，物質(zhì)稀薄。還有一種較為“激進”的看法則認為，隨著宇宙的膨脹，暗能量將越來越多。由于暗能量產(chǎn)生的強大“斥力”，宇宙最終將經(jīng)歷一場極為慘烈的“大撕裂”，屆時所有的天體包括地球在內(nèi)都將不復(fù)存在，甚至連原子與原子核也都被撕裂。
　　
　　對于普通人而言，宇宙將往何處去倒更像一個哲學(xué)問題。此時，也許重溫美國著名詩人羅伯特?弗羅斯特的詩句會更為震撼：
　　
　　有人說世界將毀滅于火，
　　有人說毀滅于冰。
　　根據(jù)我對于欲望的體驗，
　　我同意毀滅于火的觀點。
　　但如果它必須毀滅兩次．
　　則我想我對于恨有足夠的認識
　　可以說在破壞一方面，冰
　　也同樣偉大，
　　且能夠勝任。
　　
　　秋天到了，大雁為什么總飛“人”字？
　　
　　水軍總啼嘟
　　
　　“秋天到了，天氣涼了，一行大雁往南飛。一會兒排成個‘人’字形，一會兒排成個‘一’字形。”秋天一涼，七零后們總能想起這篇經(jīng)典的小學(xué)課文。但大雁南飛為啥非要排成“人”字形或者“一”字形，而不是“N”形和“B”形，或者其他更具想像力的陣型呢？
　　
　　人字形編隊，省體力？
　　
　　在現(xiàn)有的大雁人字形編隊說法中，“節(jié)省體力”的解釋流傳最廣。事實上，這個解釋還停留在假說階段。
　　
　　很早以前，人類就已經(jīng)開始觀察到，大型鳥類通常選擇“人”字形或者“一”字形的線形陣，而小形鳥類則往往聚成一團。對大型鳥類編隊飛行奧秘的科學(xué)探索，要追溯到20世紀初萊特兄弟剛剛開啟航空時代的歲月。1914年，德國的空氣動力學(xué)家卡爾?魏斯伯格(Carl Wieselsberger)經(jīng)過簡單計算后，首次提出大雁飛“人”字形可以節(jié)省能量這一假說。他認為，大雁翅膀扇動會引發(fā)尾流的渦旋，而渦旋的外側(cè)正好是向上的氣流。如果相鄰的大雁剛好處在上升氣漩里，那么它們的飛行就會大大省力。
　　
　　這個假說從誕生那天起，就受到了鳥類學(xué)家的歡迎，但是真正對其定量計算卻是在幾十年以后。1970年，里薩滿(Lissaman)和斯科倫伯格（Schollenberger)利用日臻成熟的空氣動力學(xué)理論首次給出了一個估算。他們發(fā)現(xiàn)，與單個大雁相比，一個由25只大雁組成的“人”字形編隊可以多飛71%的航程。他們還得出，最佳的人字形夾角為120度。這個研究結(jié)果是如此地激動人心，以致如今的成功學(xué)和領(lǐng)導(dǎo)學(xué)教材上到處引用這個結(jié)論，用來說明領(lǐng)導(dǎo)是多么偉大，而團隊工作是多么有效率。
　　
　　且慢！里薩滿和斯科倫伯格的研究，并未給出具體的計算公式和計算過程，他們采用的模形也過于簡化：先是假設(shè)這些鳥不扇動翅膀，像固定翼飛機一樣僵硬；同時也沒有考慮光滑的機翼和毛茸茸的翅膀之間的區(qū)別。此后，一批更深入的理論研究證明，大雁編隊飛行的能量利用率遠沒有文章中提到的那樣高。不管此類工作如何細致，模型如何復(fù)雜，嚴謹?shù)目茖W(xué)家們還是批評這些理論計算過于理想化了。
　　
　　“一”比“人”更受大雁歡迎
　　
　　理論計算行不通，科學(xué)家們開始另辟蹊徑，研究實地觀測數(shù)據(jù)中人字形夾角的度數(shù)。他們認為，如果空氣動力學(xué)優(yōu)勢是大雁選擇“人”字形的唯一理由，那么大雁在大多數(shù)時間都應(yīng)該保證“人”字形的夾角處于最佳或者某一個固定的數(shù)字附近，而且要避免飛成“一”字形，因為在對稱的尾跡里，一邊的上升氣流會被浪費掉。現(xiàn)實再一次無情打擊了這一假設(shè)。雷達和光學(xué)跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，大型鳥類飛行的“人”字形夾角在24度到122度范圍內(nèi)詭譎多變，飛行中還會大幅度變換角度。最讓人費解的是，只有在20%的飛行時間里，大雁們才會選擇“人”字形，大多數(shù)時候，“一”字形長蛇陣更受歡迎。
　　
　　近十年來，新的技術(shù)革命又大大加深了人類對鳥類編隊飛行現(xiàn)象的認識。這一次，無人機控制領(lǐng)域的專家們跑過來湊熱鬧了。組隊飛行過程中，大型鳥類頻繁和大角度調(diào)整飛行、不斷更換領(lǐng)隊鳥和跟從鳥之間的相對距離，卻不發(fā)生碰撞，這就是無人機控制領(lǐng)域?qū)＜覀冴P(guān)心的問題。專家們在研究大型鳥類飛行的觀測記錄后發(fā)現(xiàn)，從控制學(xué)上說，這些行為的并存幾乎是不可能完成的任務(wù)。只存在一個可能：即編隊里的每一個成員都以領(lǐng)隊為基準來調(diào)整自己，且編隊足夠小。
　　
　　到目前為止，最靠譜的“人”字形編隊具有空氣動力學(xué)優(yōu)勢的證據(jù)，是來自維莫斯克奇(Weimerskirch)等人的實驗。他們將八只白鵜鶘訓(xùn)練成自家摩托艇的粉絲，這些白鵜鶘只要看到摩托艇就會屁顛屁顛跟著傻飛。通過測量鵜鶘們飛行時的心律，研究者發(fā)現(xiàn)，白鵜鶘飛“人”字形時的心率比單飛時低11%-15%，因此得出了鳥類飛“人”字形節(jié)省能量的推斷。但也有批評者跳出來反駁說，群居的動物往往比孤獨動物的心率要低。
　　
　　雖然科學(xué)家們尚不能證明“人”字形和“一”字形編隊能夠節(jié)省大雁們的體力，但是這種編隊形式的其他好處已經(jīng)被證實了。鳥類學(xué)家發(fā)現(xiàn)，加拿大大雁的眼睛分布在頭的兩側(cè)，各自可以覆蓋從正前方往后的128度角的范圍。這與大雁編隊飛行的極限角度相一致。換句話說，每一個在編隊里飛行的大雁都能看到領(lǐng)隊鳥，領(lǐng)隊鳥也可以看見全部的編隊成員。因此，大雁選擇“人”字形和“一”字形至少有一個確定的理由：在編隊飛行中，每一只鳥都能看見整個編隊，從而能夠更好地進行相互交流或者自我調(diào)整。
　　
　　吃蟹救地球
　　
　　秋天是吃螃蟹的好時候。如今，學(xué)名“中華絨螯蟹”的大閘蟹已經(jīng)不再是“陽澄湖”才有的稀罕物，“太湖大閘蟹”、“微山湖大閘蟹”均悉數(shù)登場，等人品嘗。
　　
　　但愛吃螃蟹的各位并不一定知道，在自然環(huán)境中，大閘蟹扮演著異常兇猛的角色。
　　
　　寧夏的水稻產(chǎn)區(qū)曾經(jīng)引入大批中華絨螯蟹，試圖模擬一個自然的生態(tài)系統(tǒng)―螃蟹吃掉稻田里的昆蟲和腐爛的有機物，螃蟹的排泄物還能給水稻增加養(yǎng)料，不僅減少了莊稼對農(nóng)藥的依賴，還能促使水稻、螃蟹兩豐收。但實際上，這幫舞著大鉗的家伙并沒有按照人類設(shè)計好的方案行使清潔工的使命，反倒干起了偷獵者的勾當(dāng)。它們大規(guī)模地捕食花背蟾蜍以及黑斑蛙的蝌蚪―這兩種蛙類都是捕蟲高手。1只黑斑蛙1年能消滅害蟲1萬多只，花背蟾蜍的捕蟲量更是黑斑蛙的2倍。2011年公布的一項調(diào)查結(jié)果顯示，在大面積養(yǎng)殖中華絨螯蟹的寧夏沙湖和天河灣約40萬畝濕地中，僅發(fā)現(xiàn)10余只花背蟾蜍和黑斑蛙。而在已經(jīng)實現(xiàn)中華絨螯蟹放養(yǎng)野化的銀川閱海濕地，則基本沒有發(fā)現(xiàn)花背蟾蜍和黑斑蛙等兩棲類動物。
　　
　　在此之前，中華絨螯蟹早已將破壞生態(tài)的大鉗殺向歐洲和北美。1935年，英國人在泰晤士河邊的一個發(fā)電站發(fā)現(xiàn)了第一只中華絨螯蟹。1970 年代以來，中華絨螯蟹在泰晤士河的中上游大量繁殖。河道中幾乎沒有它們不吃的東西，水草、魚卵等等均為其腹中之物。強悍的生命力讓它們迅速成為這一區(qū)域的霸主。更要命的是，中華絨螯蟹喜歡在堤岸上打洞，它們可以毫不費力地在河岸下打出半米深的洞，從而危及堤壩安全。
　　
　　在美洲，大閘蟹的入侵速度同樣驚人。1965 年，第一只中華絨螯蟹在安大略省的底特律河被發(fā)現(xiàn)。1992 年，加州南部灣區(qū)的捕蝦人時不時能撈起許多正在產(chǎn)卵的大閘蟹。1994年，它們迅速蔓延到加州北部重要的漁業(yè)基地圣巴布洛灣，大閘蟹的入侵使得這里產(chǎn)量銳減。1997年，美國舊金山地區(qū)的大水形成大片沼澤，大閘蟹趁機大量繁殖，最后竟然堵塞了舊金山河口的閘門。由此，美國有不少地方都貼著“通緝”大閘蟹的通告。
　　
　　人類開車、使用空調(diào)以及砍伐森林都能幫助這些無腸公子擴展活動范圍。上述三項行為使全球變暖，這正好幫助帝王蟹入侵南極金海。目前，這種原先活動范圍僅局限于南極洲附近深海的甲殼綱動物，已經(jīng)開始爬上了大陸架。
　　
　　日前，利用一部遠程操作車，美國火奴魯魯夏威夷大學(xué)的海洋生物學(xué)家Craig R. Smith和同事們研究發(fā)現(xiàn)，大量帝王蟹出現(xiàn)在比之前的生存環(huán)境高出數(shù)百米的海床上。研究小組推測，由于在最近幾十年中，帝王蟹棲息的海底盆地內(nèi)部及周邊的水溫每年升高0.01℃，因此這些地區(qū)的帝王蟹和它們的子孫后代正時刻準備著遷徙到更高的地方。
　　
　　如今，研究區(qū)域的帝王蟹數(shù)量已經(jīng)超過了150萬只。一旦這些帝王蟹真的繁殖并遷徙到較淺的水域，對南極洲附近海底生態(tài)系統(tǒng)的影響將是毀滅性的。在歷經(jīng)數(shù)百萬年演化后，南極洲里沒有能夠敲開帝王蟹盔甲的食肉動物。貿(mào)然闖入的帝王蟹很可能將成為這里的老大。它們將會以海參、海膽及海星等為食，減少海洋物種的多樣性，改變深水區(qū)域的自然生態(tài)系統(tǒng)。
　　
　　所以，愛吃螃蟹的中國人請準備好蒸鍋吧！甩開膀子大嚼螃蟹除了滿足口腹之欲，還一不小心就保護了環(huán)境喲！

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