前言

自1970年起，我成為觀測超新星這一恆星爆炸現像的天文學家中的一員。我希望能了解它們是什麼、以什麼機制產生，以及它們如何影響宇宙的化學組成。一點意外的獎賞是，這些研究創造了把超新星變成好的宇宙標尺的方法，讓我們得以測量宇宙中的距離。其中一種超新星來自於太陽這樣的恆星死亡後留下的致密遺骸的熱核爆炸。這些Ia型超新星（SN Ia）成為了有用的標準燭光，它們的距離可以從其視亮度中精確的測定出來。就像水手依靠燈塔在大海上判斷距離，我們也可以用Ia型超新星來測量星繫的距離——星繫便是宇宙中那些由恆星組成的巨大“風車”和龐大“飛艇”【指旋渦星繫和橢圓星繫。——譯注】，也就是超新星發生爆炸的地方。特別有趣的是，測量超新星的距離引出了關於宇宙組成的一幅全新夢幻圖景，在這幅圖景中，由空間本身的性質所產生的暗能量主宰了宇宙。

從1912年開始，天文學家就在測量星繫的運動了。幾乎每一個星繫都在離我們的銀河繫而遠去，這種現像被稱作紅移。1929年，埃德溫·哈勃將到星繫的距離和它們的紅移聯繫在了一起，指出遙遠星繫的退行速度比我們的近鄰星繫更快。這意味著我們住在一個膨脹中的宇宙裡。

宇宙膨脹的消息讓阿爾伯特·愛因斯坦感到震驚。在此前的1917年，當他咨詢天文學家時他們告訴他，宇宙是靜態的。他新提出的廣義相對論預言的宇宙要麼是膨脹的，要麼是收縮的。但是理論不能違背事實，即使是錯誤的事實。愛因斯坦無奈的添加了一個數學常數來修正這個問題——他假設宇宙有一種趨於膨脹的本性，能夠平衡引力將物質拉到一起的趨勢，而這就是我們現今所謂暗能量的東西。愛因斯坦的“宇宙學常數”項的引入，是為了讓宇宙保持靜態，就像一個嫻熟的自行車手在起跑線上原地保持平衡一樣。所以當十年之後愛因斯坦得知哈勃的天文觀測表明宇宙不是靜態的，他立即拋棄了宇宙學常數：“這在理論上是不能令人滿意的”。宇宙學常數從嚴肅的宇宙學討論中被遺棄了，誰需要這種東西？

1990年，當天文學家正逐漸搞明白宇宙的組成時，我們遇到了一個問題、一個謎團和一個難以克服的困難。這個問題是，宇宙中大部分能產生引力的物質是不可見的；這個謎團是，這些物質沒有預期的多；難以克服的困難則是要讓暗物質足夠多的話，宇宙的年齡就會比一些天體還要年輕。不可見並不是多麼糟糕的事——我們可以通過探測不可見物質的可觀測效應來探測它們，即使它們並不發光——就像水手可以通過知道水面上的漣漪來預判一陣風的到來。可見物質掉入了冷暗物質組成的宇宙蛛網，但宇宙中的物質隻占我們所偏好的理論對干淨利落的宇宙圖景的估計值的三分之一。更糟的是宇宙時標的困難。我們星繫中老的恆星的年齡大約為120億年。如果宇宙全都是能產生引力的物質組成的，宇宙膨脹應該隨時間越來越慢，根據宇宙膨脹算出來的宇宙年齡應該是大約100億年。在100億年的宇宙中找到120億年的恆星並不會讓人相信這是物理世界的真實歷史。那這幅圖景出了什麼錯誤？這些美好圖景上的輕微裂紋，是否預示著大爆炸理論有嚴重的問題，或者我們漏掉了什麼東西？

在過去幾年，一些科學家團隊開始使用新儀器、新望遠鏡，包括哈勃望遠鏡，來尋找遙遠的超新星。這讓我們能夠測量宇宙膨脹的歷史。我們期待測得宇宙膨脹自大爆炸以來是如何減速的。我曾經被囊括進一支這樣的團隊，一群歡樂的、無法無天的哥們（和一些姐們）組成的“高紅移超新星搜尋小組”（high-z supernova search team）。字母z是天文學家對紅移的簡寫，這個名字的意思是我們要尋找很高紅移、很遠距離上那些爆炸的恆星。

1997年，這項工作還在進行中時，我被邀請到普林斯頓做一繫列講座，這些講座的內容構成了本書的基礎。不過當我回顧過去的講義，我發現我們在1997這一年中幾乎沒有什麼結果可以報告：盡管我們知道問題就在那，而且預見到了如何得到答案，解決這些天文難題的驚人答案卻是在那之後很短時間冒出來的。我當時講了很多關於超新星如何爆炸、如何產生新素，但並沒有怎麼講超新星如何用來測量宇宙的膨脹歷史。現在初步結果出來了，我們有了全新的驚人結論，一舉解決了十年前那些問題、謎團和困難。

遙遠超新星的觀測顯示，我們並非居住在愛因斯坦以為的靜態宇宙中，宇宙也不隻是哈勃所說的在膨脹，而是在加速膨脹！我們把這一隨時間加速的膨脹歸功於一個能產生向外壓力的暗能量。在其簡單的形式下，這可以是愛因斯坦的宇宙學常數，那個曾經在60年的時間中被視作理論毒草的東西。暗能量補全了理論家們想要求索的宇宙質量-能量組分，消除了天體年齡和宇宙當前膨脹速率之間的矛盾，再補之以大爆炸本身留下的漫長餘暉的測量，構成關於宇宙組成的一幅完美、驚人的圖景。

過去五年，我們就像是在玩七巧板——完成了拼圖的大體框架，滑塊快速的各就各位，你幾乎能看出還差什麼形狀。缺失的那個形狀可能是重要的。由暗物質主導的宇宙的存在昭顯出，我們對空間的亞微觀性質的理解還存在一個認知鴻溝：真空的性質。沒有任何其他實驗室測量結果和物理理論預言出我們的觀測所指示的那麼多暗能量。在小的尺度上理解宇宙的下一步將會是把引力和自然界中其他幾種力統一起來。也許在暗能量這一發現的促動下，以後會有對這個瘋狂的宇宙的新理論視野，看起來更加簡單和理所當然新圖景。但眼下，解決宇宙加速膨脹之謎仍是一個誘人深入研究的目標。

我們對當前宇宙的圖景是瘋狂的：它有中微子作為熱暗物質；一些不知道是什麼的東西作為冷暗物質；大爆炸後10^-35秒時發生的暴漲；以及宇宙在暴漲年齡的10^52倍時間後，由暗能量導致的加速膨脹。這比任何人想像的都要瘋狂，而這些都是基於我們所無法看到的東西中找到的證據。我們通過觀測大爆炸本身產生的光，以及來自或穩定、或變化、或爆炸的恆星的光，以及來自可觀測宇宙邊緣的星繫的光，構建了這一圖景。

在世人之前優先體味觀察宇宙的新視角，是本書所將提及的那些辛勤工作的人們獨享的快樂。然吾樂樂不如眾樂樂，我希望能與你共享這一精彩旅途，讓對宇宙的理解帶給你非凡的激動。

“美國出版商協會2002年*物理和天文領域專業/學術書籍獲獎之作。”

“《瘋狂的宇宙》極其令人滿足……它太棒了……一個對過去十年間*的科學故事之一的令人愉快的詼諧描述：爆炸的超新星如何展示了宇宙膨脹是加速的……一定要買這本賞心悅目的書。”

——米歇爾·羅恩-羅賓遜，《新科學家》

“羅伯特·P.基爾什納從內部人士的視角對發現宇宙命運的競賽進行了極好的描述……基爾什納對復雜的解釋展現出了令人印像深刻的靈巧處理，而且他樂於用恰當的隱喻來填補讀者的知識空白……《瘋狂的宇宙》極好地傳達了它的小標題給人的期望，應當作為*的內部故事，關於基爾什納如何領導他的天文學家小組獲得追尋宇宙命運的榮光。”

——唐納德·戈德史密斯，《博物學》

“前8個章節提供了天文學入門級別的宇宙學簡介……人們經常講述這些故事，但很少如此動人。恰當的類比、有趣的軼事、活潑詼諧的敘事風格——在非常有趣的地方……基爾什納成功地傳達了尋獵遙遠超新星時的困難和激動人心。”

——戴維·布蘭奇，《今日物理》

“一本賞心悅目而平易近人的書……餐後讀物風格的妙語和新手物理學的比喻，基爾什納對兩者的獨特結合，給了讀者非常愉快的閱讀體驗。”

——理查德·埃利斯，《物理世界》

“關於這次重大發現已經有了不止一本著作，但是這本新書，羅伯特·P.基爾什納的《瘋狂的宇宙》，可能是其中*好的一本……這是一個內部人士對這個工作如何完成的忠實記錄。基爾什納先生不僅描述了*的科學工作，還使我們間接感受到了發現的緊張激動之情。”

——《經濟學人》

“天文學同行們——以及一代代哈佛本科生——長久地感謝基爾什納，他是一個擁有超常口纔的健談者，所以很難想像有誰比他更適合向我們講述這些新發現的內部故事。他沒有令我們失望。在很大程度上，他講述了一個關於科技進步如何使得天文學家能夠看向更遠的距離，因而看向更遠的過去的故事。”

——勞倫斯·馬歇爾，《發現雜志》

“作為一個天賦異鼎的研究者，基爾什納清晰地描述了對宇宙歷史的現有觀點的科學偵探工作……基爾什納站在這些發現的*前沿……他用簡單有效、時常幽默的類比和軼事將所有事情串連在一起，來解釋研究小組在建立宇宙如何演化至今的年表之時是如何合作的。”

——《選擇》

“這本書描述了一個宇宙學中的卓越時代。在過去三年中，多條證據開始共同支持——對於我們中的大部分人來說——一個關於宇宙成分和膨脹方式的出人意料的圖景。這個由關鍵成員講述的故事，會使任何對天文學或宇宙學感興趣、甚至僅僅是對科學有著廣泛好奇心的人感到享受。”

——馬丁·裡斯，《我們的宇宙棲息地》

“這是一本關於自然科學領域*熱門話題之一的偉大著作，由這個重大發現的主要貢獻人之一撰寫。本書展示了現代宇宙學的歷史，以一種非常活潑的風格撰寫而成，點綴著風趣的個人故事，使得閱讀更加輕松愉快。”——玻丹·帕琴斯基，普林斯頓大學

“《瘋狂的宇宙》不是市場上能買到的*一本關於暗能量和宇宙加速膨脹的書籍。但是，它提供了獨特的幕後花絮感，關於這些逐漸接近發現的令人陶醉的日子。我發現當我接近基爾什納和他的同事們發現他們正在近距離注視著宇宙學常數真面目的決定性時刻之時，我更加難以放下這本書。”

——約書亞·羅斯，《天空與望遠鏡》

“一本風趣的新書。”——莎倫·貝格麗，

——《華爾街日報》